陈宇林-柳仲楷课题组Science：首次实验发现了时间反演对称性破缺的Weyl半金属

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物质学院陈宇林-柳仲楷课题组与合作者在新型拓扑量子材料研究中取得重要进展：在铁磁Kagomé晶格材料Co3Sn2S2中观测到体态中的Weyl点及表面费米弧等特征拓扑电子结构，从而首次实验发现了时间反演对称性破缺的Weyl半金属。该成果目前以 “Magnetic Weyl semimetal phase in a Kagomé crystal”在国际顶尖学术期刊《科学》（Science）上在线发表。
       作为近年来新型拓扑量子材料中重要的一员，拓扑Weyl半金属蕴含相对论性Weyl准粒子及费米弧表面态等特征电子结构，而这些特征结构能导致一系列重要的物理现象，包括手性反常、三维量子霍尔效应、非局域电磁响应效应等。这些特质使其成为拓扑量子材料基础研究及器件应用的优良平台。为实现Weyl半金属，材料体系需破缺特定的对称性，如空间反演或者时间反演对称性，从而将体态的Dirac费米子分裂成一对手性相反的Weyl费米子。在之前的工作中，陈宇林-柳仲楷课题组研究了空间反演对称性破缺的第一类Weyl半金属TaAs家族的系统演化(Nature Physics, 11, 728 (2015), Nature Materials, 15, 27 (2016))和第二类Weyl半金属MoTe2(Nature Communications, 8, 13973 (2017))，并通过超高真空环境下的表面修饰方式实现了Weyl半金属表面费米弧的原位调控(Nature Communications 10: 3478 (2019))。

       与空间反演对称性破缺的Weyl半金属相比，时间反演对称性破缺的Weyl半金属有其独特的优点。例如这类材料最少可以只包含一对Weyl点，从而被誉为Weyl半金属材料中的“氢原子” (空间反演对称性破缺的Weyl半金属最少包含两对Weyl点)。此简单性更有利于实现手性反常效应、手性磁效应、显著的反常霍尔效应甚至量子反常霍尔效应等。同时，时间反演对称性破缺的Weyl半金属也是制备自旋电子器件的重要候选材料之一。然而，由于材料制备和实验表征等诸多困难，在2011年即被理论预言的磁性Weyl半金属至今一直没有被证实。
       在最近被发现的Co3Sn2S2材料中，低温（175开尔文）发生的铁磁相变形成了时间反演对称性破缺。此外，实验中观测到的巨大的霍尔电导和反常的霍尔角，以及第一性原理计算均指出其为磁性Weyl半金属的可能。在本工作中，研究人员利用先进的同步辐射高分辨角分辨光电子能谱手段，大量的数据积累，在高质量的Co3Sn2S2单晶上完整观测到了磁性Weyl半金属的两大标志性特征：线性色散的Weyl体能带和连接Weyl点的拓扑表面态费米弧，从而在实验上首次证实了Co3Sn2S2材料确为时间反演对称性破缺的Weyl半金属。此项发现是拓扑Weyl半金属领域研究的重大突破，也是继反常量子霍尔效应后，铁磁与拓扑材料相结合产生新物相的重要呈现。


       此项工作由上海科技大学、德国马普所、牛津大学等单位协作完成，德国马普所微结构物理分所的刘德发博士后、上海科技大学物质学院的梁爱基博士后、德国马普所固体化学物理分所/中科院物理所的刘恩克研究员及德国马普所固体化学物理分所的许秋楠博士后为共同第一作者，物质学院柳仲楷和李刚助理教授参与了实验和理论的工作，物质学院陈宇林特聘教授为通讯作者。该研究得到洪堡基金会、国家自然科学基金委ME2项目、国家重点研发计划、清华大学创新科学研究、沃尔夫斯堡-德累斯顿复杂拓扑量子材料杰出集群等项目基金的大力支持。


      文章链接：https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1282.full


       外尔半金属有拓扑非平庸的能带结构，在基础物性研究方面具有重要地位。同时，其线性色散关系又使得外尔半金属成为一种相对论性的电子系统，被称为是“三维的石墨烯”，在器件应用方面有巨大的潜在价值。外尔半金属中的低能激发被称作外尔费米子，它是整个费米子家族（狄拉克费米子、外尔费米子、马约拉纳费米子）中的重要一员。外尔半金属是一种新颖的量子态，其电子的色散关系存在着成对的手性相反的外尔点，这对外尔点可以看成是倒空间中一对正负磁荷(magnetic monopole)。这对磁荷在磁场的作用下发生类似于Zeeman效应的能级劈裂，从而导致不同手性的电子密度的不同。因此，当外加电场与磁场平行时，倒空间中不同手性间的散射由于正负手性Weyl点间的距离增加而导致相应的谷间散射(intervalley scattering)减弱，从而产生了负磁阻效应，既所谓手性反常。图2是在磁场作用下一对手性相反的狄拉克锥在倒空间被拉开的示意图。该效应最早由Adler, Bell和Jackiw在粒子物理中提出（简称为ABJ效应）。最近，该效应在凝聚态物理中的外尔半金属也被观察到。


       陈宇林，上海科技大学教授。于2000年获得中国科学技术大学学士学位，2008年获得斯坦福大学物理学博士学位。2012年加入牛津大学，成为耶稣学院院士和大学讲师，从2014年开始担任副教授。自2014年起，陈宇林还是清华大学兼职教授，上海科技大学特聘教授。陈宇林的研究兴趣在于了解电子在非传统材料中的行为，包括拓扑量子材料、强关联电子系统和功能材料。陈宇林还致力于开发新的仪器设备，以推动当前的研究前沿。


       柳仲楷,助理教授、上海科技大学研究员,2006年于清华大学数理基础科学专业获理学学士学位；2014年于美国斯坦福大学获得物理学博士学位，导师：沈志勋教授；2014年至2015年在英国钻石同步辐射光源从事博士后研究； 2015年7月加入上海科技大学物质科学与技术学院任助理教授。