物理所等在电荷密度波导致的轴子绝缘体研究中获进展

由于三维晶体中Weyl（外尔）准粒子是不需特殊对称性保护的拓扑结构，同时具有特别的表面费米弧和奇特的电输运行为，单粒子图像下的拓扑半金属材料的研究是凝聚态物理中的热点，科研人员逐步关注到外尔半金属材料中由电子-电子关联效应导致的新物理和新现象。2012年，清华大学高等研究院研究员汪忠和美国华裔物理学家张首晟提出，在考虑电子-电子之间的相互作用后，手征相反的外尔点发生费米面nesting（嵌套），外尔半金属可以失稳转变到电荷密度波（charge-density wave; CDW）相，同时，它是一个轴子绝缘体（axion insulator），包含拓扑磁电耦合项 θ E·B （E和B分别是电场和磁场）。由于缺乏相关材料，具有电子关联效应的外尔半金属材料研究进展缓慢。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心凝聚态理论与材料计算实验室特聘研究员王志俊与美国普林斯顿大学教授B. Andrei Bernevig、上海科技大学博士史武军、普林斯顿大学博士Benjamin J. Wieder，以及德国马普微结构物理研究所博士Holger L. Meyerheim等人合作，通过第一性原理理论计算预言，结合X射线衍射（XRD）和角分辨光电子能谱（ARPES）等实验手段，发现准一维材料(TaSe4)₂I（图1）在高温下是Weyl半金属，而在低温下发生电荷密度波相变，首次在真实材料中实现由电子关联效应驱动的外尔半金属到轴子绝缘体的转变。

通过计算发现，具有手征对称性的准一维材料(TaSe4)2I是一个包含24对Weyl点的外尔半金属。由于缺乏空间反演和镜面对称性，与TaAs等传统的Weyl半金属不同，(TaSe4)₂I中手性相反的Weyl点可出现在不同的能量上，可以作为观测量子圆偏光电流效应（quantized circular photogalvanic effect; CPGE）等手征拓扑特性的材料。在该材料中，费米能级以下的净手征电荷为16，这是目前费米能级以下手性电荷总量最大的材料。在CDW相变温度（TC~248K）以下时，科研人员在XRD的实验数据中看到CDW波矢所导致的Bragg点附近的衍射卫星峰（图1）。手性相反的Weyl点形成的费米面嵌套（Fermi surface nesting）使系统打开能隙，从而发生由外尔半金属到轴子绝缘体的相变。通过电输运测量和角分辨光电子能谱（ARPES）实验证实了金属到绝缘体转变的存在。通过计算电极化率发现，这些新的衍射峰与手性电荷相反的Weyl点之间波矢相关。此外，为进一步验证磁电耦合项的存在，德国马普固体化学物理研究所的合作者们仔细地测量了CDW的集体模式电流JCDW与B与E之间夹角的关系，实验表明增加的电导与此夹角有近似平方余弦函数的关系，间接验证了拓扑磁电效应的存在（图2）。

相关研究成果在线发表在Nature Physics上。参与研究的合作单位包括德国德累斯顿马普固体化物所、德国莱布尼茨研究所、英国牛津大学、清华大学等。研究工作得到国家自然科学基金委员会、物理所材料基因组研究平台项目和中科院战略性先导科技专项（B类）等的支持。

图1.X射线衍射强度图，显示着由电荷密度波导致的（620）衍射峰附近的小卫星峰。插图为准一维材料(TaSe4)2I的晶体结构。

图2.测量的 Δ(dI/dV)数据与E和B之间夹角存在近似平方余弦函数的关系