拓扑Weyl半金属简介

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1、拓扑Weyl半金属简介*2015－04－07收到†email：ccmp@nju.edu.cn1，2，†万贤纲DOI：10.7693/wl20150702(1南京大学物理学院南京大学固体微结构国家实验室南京210093)(2南京大学人工微结构与量子调控协同创新中心南京210093)TopologicalWeylsemimetals1，2，†WANXian-Gang(1NationalLaboratoryofSolidStateMicrostructuresandschoolofPhysics，NanjingUniversity，Na

2、njing210093，China)(2CollaborativeInnovationCenterofAdvancedMicrostructures，NanjingUniversity，Nanjing210093，China)摘要材料体系的拓扑量子行为是当前凝聚态物理研究的热点。作为一种新型拓扑量子态，Weyl半金属最近引起了人们的关注。文章以烧绿石结构铱氧化物A2Ir2O7(其中A=Y或稀土元素)为例，介绍了Weyl半金属的奇特性质：Weyl点受拓扑保护稳定；Weyl半金属有着受拓扑保护的表面态，即非闭合的费米弧；Weyl半金属

3、的反常霍尔效应与Weyl点的位置有关，和能带的细节无关；Weyl半金属特有的输运性质。文章还介绍了人们预言的几种Weyl半金属以及相关的实验进展。关键词Weyl半金属，费米弧，Adler-Bell-Jackiw反常，5d过渡金属氧化物AbstractCurrently,thetopologicalbehaviorofmaterialsisahottopicincondensedmat-terphysics.Asanewclassoftopologicalquantumstates,Weylsemimetalshaveattract

4、edexten-siveinterest.TakingthepyrochloreiridatesA2Ir2O7(A=Yorrareearthelement)asanexample,wediscussthenovelpropertiesofWeylsemimetals.TheirWeylnodesarerobust,theyhavespecialsurfacestatesintheformofFermiarcs,theanomalousHalleffectisproportionaltotheseparationbetweenthe

5、Weylnodes,andtheyhavenoveltransportproperties.WealsodiscusssomematerialspredictedtobeWeylsemimetals,andrecentexperimentalprogress.KeywordsWeylsemimetal,Fermiarc,Adler-Bell-Jackiwanomaly,5dtransitionmetaloxides[1—3]1引言态、反弱局域化、量子自旋/反常霍尔效应等等。因此从被发现后，拓扑绝缘体立即成为了凝聚态众所周知，材料体

6、系按照其电子能带结构的[1—3]物理、材料科学中的一大热点研究领域。拓扑不同可以划分为金属和绝缘体。近年来的研究表绝缘体的一个重要特性是，小的微扰对其拓扑不明，绝缘体可以进一步细分为平庸绝缘体和拓扑会有影响，这就使得人们可以定义绝缘体的拓扑绝缘体。拓扑绝缘体表现出与一般绝缘体完全不性质(也就是说，只要这个微扰不关闭绝缘体的能一样的量子现象与物性，例如：拓扑保护的表面[1—3]隙，绝缘体的拓扑性质就不会发生改变)。近年来人们发现了一类特别的金属体系，它们的低*国家自然科学基金(批准号：11374137，91122035，111741

7、24)资助项目·44卷(2015年)7期·427·评述能激发可以用粒子物理中的2分量Dirac方程即为最近邻碳原子的距离。石墨烯元胞里面包含2[4,5]Weyl方程来描述，因此这类材料体系被称为个碳原子，构成A，B两套子格。碳原子的外层[6—8]22Weyl半金属。Weyl半金属虽然没有能隙，但电子构型为2s2p，在石墨烯中有3个价电子形成[6—8]2是仍然具有拓扑非平庸行为。本文将先介绍sp杂化，它们与3个近邻碳原子上的电子形成Dirac方程及Weyl方程，然后以A2Ir2O7为例，介σ键，远离费米能级，而它的pz电子与3个近邻

8、绍Weyl半金属的奇特性质及相关进展。碳原子上的pz电子组成π键。π键电子在费米能级附近，所以在石墨烯中的低能激发可以用pz电子2Dirac方程来描写。只考虑最近邻之间的相互作用，即电子可以跳到最邻近原子中，这时系统的哈密顿量有1928年，Dira