Nat. Commun.：Weyl半金属NbAs与多拓扑载体的手性朗道能级

【引言】

最近，Weyl半金属已经诸多晶体中被发现。通过Weyl半金属表面的光电子能谱观察到了具有独特自旋结构的费米弧，并在磁场下产生了新的回旋轨道。Weyl半金属中的手征反常也现象已被广泛观测到。尽管作为手征异常的一个重要前提，也是Weyl费米子的独特标志，非常规的手征朗道能级还没有被探测到。

【成果简介】

近日，来自复旦大学的修发贤（通讯作者）和晏湖根（共同通讯作者）的团队在Nat. Commun.发表了题为Chiral Landau levels in Weyl semimetal NbAs with multiple topological carriers的文章，报道了Weyl半金属NbAs中朗道量子的磁光学研究。高磁场驱使系统朝向量子极限，观察到两个不等价的Weyl节点中的第零手征朗道能级，与其他朗道能级相比，第零手征朗道能级在磁场方向上表现出明显的线性色散，并允许光学跃迁不受零动量的限制。研究结果提供了Weyl费米子中手性朗道能级的证据，并展示了磁光谱是研究复杂拓扑系统的有效工具。该课题组袁翔是第一作者，来自于清华的严忠波和复旦的宋超宇是该文章的共同一作。

【图文导读】

图1：材料特性和磁光谱

a: NbAs体心四方结构；

b: 单晶XRD谱图，显示NbAs单结晶的（001）晶面；

c: 磁光实验装置的示意图；

d: 不同磁场下NbAs的磁光谱。

图2：光学跃迁

a: 远红外范围跃迁能量与B^1/2的关系；

b: 来自实验（黑色）和拟合（红色）的归一化反射数据；

c: Weyl费米子中的朗道能级色散；

d: 跃迁能量与朗道指数；

图3：量子极限和手征朗道能级

a-b: 纵向磁阻，磁场分别高达60T和10T，对于两个Weyl节点，在12T和19T处达到量子极限，插图显示了实验装置的示意图；

c: 朗道能级图， 朗道指数是针对1/B绘制的，电阻率峰代表整数朗道指数；

e-f: W1和W2的朗道能级色散的示意图。

图4：大量费米子具有不同拓扑性质的朗道能级图

a: 谐振能量与磁场的关系；

b: 反转和正常间隙情况下的朗道能级图；

c: 分别为b和c中最低两个光学跃迁的频率对B与B^1/2关系。

图5：大量费米子具有不同拓扑性质的朗道风扇图

NbAs中总结的准粒子的朗道量子化，虚线是费米能级，箭头表示允许的光学跃迁，红色和蓝色分别表示Weyl节点1和Weyl节点2的转变，绿色和灰色分别表示有无电子带反转带隙电子带的跃迁。

【小结】

该团队通过磁光谱学研究了NbAs中多个谱带的准粒子动力学。利用在高磁场下磁光谱手段探测朗道能级的优势，非常规的光学跃迁揭示了第零手征朗道能级的存在。有限散射有助于增强手征朗道能级的光学跃迁。此外，发现两个不等价的Weyl节点具有不同的费米速度，拟合光学跃迁的磁场依赖性揭示了费米速度较高的NbAs中的Weyl节点具有更强的粒子空穴不对称性。对Weyl费米子和大量费米子之间的朗道量子化进行比较，进一步验证第零手征朗道能级的独特特征。

文献链接：Chiral Landau levels in Weyl semimetal NbAs with multiple topological carriers（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04080-4）

【课题组简介】

晏湖根课题组主要从事低维和量子材料的光谱研究，特别是新奇材料在远红外及红外区域的光学性能及磁光响应。近年来，课题组在石墨烯等离激元学、黑磷的能带结构和能带调控、二维材料的激子以及拓扑半金属的磁光特性等领域取得多项进展。”

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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