在晶體對稱的保護下,凝聚態(tài)系統(tǒng)中除了Dirac和Weyl費米子外,還可能存在其他具有非零Berry曲率通量的無質量費米子。比如說三重簡并的自旋1激發(fā)和自旋為3/2的Rarita-Schwinger-Weyl費米子。最近,拓撲量子化學理論為我們找到這些準粒子提供了一種方便的方法。本文中,我們發(fā)現(xiàn)了一個空間群（第199號）,它可能在費米能級附近同時具有自旋1激發(fā)和自旋3/2的Rarita-Schwinger-Weyl費米子。利用基于密度泛函理論的從頭計算方法,并且考慮了自旋軌道耦合效應（SOC）,我們預測上面提到的非常規(guī)準粒子在屬于I2₁3空間群（第199號）的Bi₄Ni₆S₄材料中共存。它們的非平凡拓撲性質導致了在（001）表面上,存在一些費米弧連接著這些非常規(guī)準粒子的投影。 

【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：46 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

CdTe/HgTe二維量子阱體系能帶結構示意圖。隨著中間層HgTe的厚度的變化,體系的能帶發(fā)生反轉。摘自文獻[4]。

接下來,人們把拓撲絕緣體的概念拓展到三維體系中。2009年,同樣基于量子自旋霍爾效應,由斯坦福大學的張首晟等人和中科院物理研究所的方忠、戴希等人預測了第一類三維體系的拓撲絕緣體:Bi2Se3族拓撲絕緣體[5]。因為這一類拓撲絕緣體的帶隙比較大,所以也很快被實驗證實,成為了研究拓撲絕緣體的典型。圖1.2是Bi2Se3族材料的(111)表面的態(tài)密度圖,可以看出b,c,d圖都具有無能隙的表面態(tài),也就都是非平庸的拓撲絕緣體。隨著對于拓撲絕緣體的研究逐漸深入,人們還發(fā)現(xiàn)了一類表面Dirac錐受各種晶體對稱性保護的絕緣體,也就是拓撲晶體絕緣體[6]。正因為如此,我們可以說拓撲晶體絕緣體的拓撲性質受到晶體對稱性的保護(當然它們同樣滿足時間反演對稱性)。到現(xiàn)在為止,研究者們已經(jīng)完善了尋找或者預測各種拓撲絕緣體的理論依據(jù)(也就是下文中提到的拓撲量子化學理論)[7],并且提出了高階拓撲絕緣體的概念(n階拓撲絕緣體在其余維數(shù)為n的邊界上有受保護的無帶隙模式)[8]。所以,人們已經(jīng)可以對拓撲絕緣體做一個定義:三維拓撲絕緣體(拓撲晶體絕緣體)是一種體態(tài)表現(xiàn)出絕緣性,但是具有受到時間反演對稱性(空間對稱性)保護的無能隙表面態(tài)的材料。

隨后,人們逐漸發(fā)現(xiàn)了一些受到對稱性保護的拓撲半金屬,其來源不僅限于自旋軌道耦合作用[26,27,28,29,30]。接著,近年來人們又對拓撲半金屬產(chǎn)生了新的思考:在晶體材料中,已經(jīng)證實了費米能級附近存在的Weyl點或者Dirac點是一種拓撲性的能帶交點,能夠產(chǎn)生特殊的表面費米弧。但是,因為實空間中存在的費米子受到龐加萊群對稱性的約束,所以我們才只能將費米子分為三類,可是在晶體材料的動量空間中,能帶交點產(chǎn)生的費米子準粒子受到的對稱性約束遠小于高能物理中的情況,它們僅僅受到230種空間群對稱性的約束。所以,在晶體材料中一定存在著沒有實際粒子作為對應的非常規(guī)的準粒子[31],而經(jīng)過驗證,這些準粒子也能產(chǎn)生費米弧。本文正是受此啟發(fā),研究了兩類圖1.3拓撲絕緣體,拓撲半金屬的拓撲性質來自于相似的能帶反轉過程。摘自文獻[25]。(a)對于拓撲絕緣體,在能帶反轉后,自旋軌道耦合作用打開了體系的能隙,產(chǎn)生了拓撲表面態(tài)。(b)對于拓撲半金屬,自旋軌道耦合作用并沒有完全打開能隙,而是留下了一些特殊的能帶交點。由于體能帶的拓撲結構,其表面出現(xiàn)了費米弧。在Dirac半金屬中,所有能帶都是二重簡并的,而時間反演對稱性和空間反轉對稱性破壞其一或者都破缺時,一個Dirac點將會劈裂成一對Weyl點。3 本文的研究目的、方法和內(nèi)容


本文編號：3439537