一、狄拉克半金属拓扑性质的磁场调控
中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室和物理系的陈仙辉教授研究组近期在拓扑半金属研究领域取得重要进展，该研究组与国家脉冲强磁场科学中心夏正才教授合作，在强磁场下测量狄拉克半金属Cd3As2的转角磁阻并发现其量子振荡相位随外磁场方向有从拓扑非平凡到拓扑平凡的明显变化。相关研究成果于在2015年11月27日以“Angular-Dependent Phase Factor of Shubnikov–de Haas Oscillations in the Dirac Semimetal Cd3As2”为题发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 115, 226401（2015））。
狄拉克半金属是一类当前备受关注的热点材料，在它的能带结构中，费米能级附近存在拓扑奇点（狄拉克节点），其附近的电子态满足线性的色散关系，占据这些态的是相对论性的准粒子，即无质量狄拉克费米子。特殊的电子结构会导致一系列奇特的物性，比如量子振荡相位中非平凡贝里相位π的贡献，以及因电子背散射被抑制而产生的极高输运迁移率。根据现有理论，稳定的四重简并狄拉克节点的存在依赖于晶体特殊空间群对称性的保护。对于四方结构Cd3As2来说，是其[001]方向的四次旋转对称性（C4）保证沿该方向出现两个全同的狄拉克节点，而C4对称性的破坏会造成狄拉克点被打开能隙，载流子产生附加质量，甚至出现从拓扑非平凡相到非拓扑相的转变。在狄拉克半金属中，这种行为此前一直没有被直接观测到。
图示：(左) 不同磁场方向测得的Cd3As2磁阻振荡项，θ是磁场与晶体[100]方向的夹角。(右) 对朗道能级指标的分析表明其中存在大小为π的振荡相位移动。
陈仙辉教授研究组及其合作者在高达60 T的脉冲强磁场下对精确定向的Cd3As2单晶进行磁电输运测量，并发现其量子振荡的相位以及载流子回旋质量都随外磁场的旋转而出现明显的变化。随着磁场从[001]方向旋转到[100]方向，振荡相位产生大小约为π的移动，载流子的回旋质量也出现明显上升，这表明非平凡的贝里相位几乎被完全压制，系统在高场下进入近乎拓扑平凡的状态。实验结果证明Cd3As2当中狄拉克节点的形成与晶体C4对称性直接相关，偏离四次轴所在的[001]方向的强大外磁场会解除对四重简并狄拉克节点的保护，使得狄拉克费米子产生附加质量。实验中观测到的振荡相位尖锐跳变并构成倾斜外磁场诱导拓扑相变的间接证据。这一工作对于理解三维拓扑材料中拓扑奇点形成与晶体对称性的内在联系具有重要意义。
该工作得到国家自然科学基金委、国家重点基础研究发展计划和中国科学院战略性先导科技专项的资助。
二、压力诱导的狄拉克半金属态
中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室和物理系的陈仙辉教授研究组近期在具有反常能带色散的三维电子系统研究领域取得重要进展，该研究组与复旦大学张远波教授以及中国科学院固体物理所邹良剑研究员合作，在层状半导体 黑磷（black phosphorus）中发现压力诱导的电子结构拓扑相变，并确认高压下黑磷的半金属相中存在狄拉克费米子。相关研究成果于在2015年10月28日以“Pressure-induced electronic transition in black phosphorus”为题发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 115, 186403 (2015) ）。
具有线性色散能带和相对论性准粒子的三维固体材料（包括狄拉克半金属，Weyl半金属和Rashba半导体等）是当前凝聚态物理学界研究热点，而拥有和石墨类似的六角格子层状结构的元素半导体黑磷以其众多特殊的物性（如准二维性，窄直接带隙，较大的面内各向异性和高载流子迁移率）而成为最近崛起的明星材料。陈仙辉教授研究组和张远波教授研究组在黑磷的研究中做出多项开创性工作，此前实现了以黑磷为材料基础的二维场效应晶体管（Nature Nanotech. 2014, 9, 372-377），并在黑磷量子阱中实现电场诱导的高迁移率二维电子气（Nature Nanotech. 2015, 10, 608-613）。本次报道中涉及的研究成果则在黑磷和狄拉克半金属两个近期备受关注的研究方向之间建立了直接联系。
图示：(a) 黑磷中压力诱导的半金属态的电导率振荡，(b) 对朗道能级指标的分析表明其中存在拓扑非平凡的振荡相位。
陈仙辉教授研究组及其合作者在电输运实验中发现黑磷单晶中的直接带隙会在外加静水压下逐渐关闭。在外加压强达到1.2GPa时，黑磷会经历电子相变而进入一个全新的物态，这个高压相具有典型的半金属特征，包括反常大的正磁阻以及电子空穴两种载流子的共存。对高压下半金属态的量子振荡分析结果表明其电子结构中包括非常小的多重费米口袋和有效质量极轻的载流子，其中一个费米口袋的量子振荡信号显示出拓扑非平凡的振荡相位，这说明该能带具有反常的线性色散关系，其中载流子的本质则是狄拉克费米子。这一工作是首次在输运测量中证明黑磷中存在奇异电子态，也是首次在实验上观察到压力诱导的狄拉克半金属相，对于理解固体材料中相对论性准粒子和反常色散能带的形成与演化具有重要意义。
该工作得到国家自然科学基金委、国家重点基础研究发展计划和中国科学院战略性先导科技专项的资助。