中國科學院超導電子學卓越創(chuàng)新中心、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點實驗室研究員沈大偉與副研究員劉中灝課題組，與中國人民大學教授王善才、雷和暢、劉凱團隊以及德國萊布尼茨固體物理材料研究所(IFW—Dresden)教授Sergey Borisenko研究小組成員進行合作，利用高分辨角分辨光電子能譜實驗技術(shù)與第一性原理計算對高質(zhì)量TiB2 單晶樣品的低能電子結(jié)構(gòu)進行了研究，首次證實了拓撲半金屬TiB2 中存在節(jié)線(nodal-line)型的電子結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文Experimental Observation of Dirac Nodal Links in Centrosymmetric Semimetal TiB2 現(xiàn)已發(fā)表于Physical Review X 8,031044 (2018)。

拓撲半金屬將新奇拓撲電子量子態(tài)從拓撲絕緣體擴展到金屬性材料。這類材料中的一些導帶和價帶交叉點受到空間、時間或者某些晶體對稱性的保護，使得特定對稱性的微擾不能使其打開能隙。當這些線性能帶的交叉點靠近費米能級時，材料低能激發(fā)的準粒子性質(zhì)和普通的薛定諤類型的準粒子激發(fā)會有很大區(qū)別，從而導致材料表現(xiàn)出新奇的物理性質(zhì)。按維度分類，這些電子結(jié)構(gòu)中的交叉點可以分成零維的節(jié)點(nodal points)和一維的節(jié)線。節(jié)點型材料近來已經(jīng)被廣泛地研究和報道，如在狄拉克、外爾和三重簡并的半金屬材料中已經(jīng)分別發(fā)現(xiàn)了四重、兩重以及三重簡并的節(jié)點。一維的節(jié)線性材料有著更多變的構(gòu)型，目前只在很少一些材料中發(fā)現(xiàn)了某些構(gòu)型的節(jié)線型電子結(jié)構(gòu)的跡象。

該工作首次證實了TiB2 材料中存在兩類受到不同晶體對稱性保護的節(jié)線型電子結(jié)構(gòu)。不同于以往發(fā)現(xiàn)的孤立的節(jié)線，這兩類節(jié)線相交于一點，形成nodal-link 型的奇異電子結(jié)構(gòu)。這種nodal-link 的電子結(jié)構(gòu)也是首次被實驗觀測到。此外，相對于已經(jīng)被報道的其他節(jié)線型材料，TiB2 的費米面主要由節(jié)線構(gòu)成且和其他能帶無互相干涉，因此為進一步研究狄拉克節(jié)線費米子提供了一個理想的研究平臺。同時該研究還將節(jié)線型電子結(jié)構(gòu)特性的研究范圍擴展到像二硼化物這類自旋軌道耦合相對較弱的材料。

劉中灝為該工作第一作者，上海微系統(tǒng)所為該工作第一單位。該工作獲得基金委國家重大儀器專項(項目批準號：11227902)、面上項目、青年項目、科技部國家重點研發(fā)計劃、上海市揚帆計劃等的支持。