修发贤课题组完成关于新型可解离准二维拓扑半金属材料的工作，2016年11月11日，以Observation of quasi-two-dimensional Dirac fermions in ZrTe5为题发表于《自然·亚洲材料》(NPG Asia Materials 8, e325 (2016)) 。物理系博士生袁翔和张成为文章共同第一作者,论文的合作者为物理系晏湖根教授。
拓扑半金属材料，由于其卓越的物理特性，如超高的迁移率和可调带隙，在脉冲激光、高频器件、弹道输运器件以及基于手性的新型电池方面有着巨大的应用前景。而研究这些新奇材料的新奇物理特性是实现其应用的前提条件。研究者通过强磁场下的光谱和输运研究，证明五碲化锆材料同时具有拓扑半金属和准二维的特性。拓扑半金属的元激发准粒子，具有线性色散和无质量特性的狄拉克费米子，导致其高磁阻，抑制散射，高迁移率等优越的电学特性。另一方面，可解离的二维材料诸如二硫化钼等具有柔性、透明、优异的光学和电学特性等特性，被视为新一代电器和光电设备的候选材料。与著名的石墨烯不同的是，同时具有这两种优异性能是在五碲化锆的体态中发现的。而石墨烯一旦进入双层，准二维的半金属性质会被破坏。由于具备准二维特性，五碲化锆低温电导呈现出量子化现象。理论预言在单层情况下，可以打开能隙实现量子自旋霍尔效应和低能耗传输，这是除HgTe之外的又一优秀材料体系，蕴含着丰富的量子态特性。
图1： 线性色散形成的朗道能级与允许的光学跃迁。
图2：与根号磁场线性关系回旋共振，无质量费米子的特有现象。
图3：五碲化锆非平庸的拓扑性质和微小的有效质量。
图4：五碲化锆强烈的二维特征和准二维费米面。只有垂直于二维平面的磁场分量才对体系产生影响。
图5：五碲化锆强烈的各项异性。面外方向电子有效质量比面内大两个数量级。
研究人员在强磁场下测量光谱发现了与传统回旋共振不符合的朗道量子化现象，共振频率不与磁场成正比，通过仔细分析，发现了五碲化锆中存在的线性色散。进一步比较输运测量的贝利相位，验证了体系非平庸的拓扑性质。面内极小费米子的有效质量很好的佐证了这一实验结论。通过全角度测试，研究人员发现系统的磁场响应随着角度具有三角函数的关系，证明了体系的二维特性并由体态量子霍尔平台进一步地得到验证。详尽的空间实验具体地描绘出了准二维的费米面。通过比较各角度下的输运数据，发现系统在垂直于二维费米面方向，具有很大的有效质量。
在胶带解离五碲化锆的过程中，研究人员还注意到该材料可以被解离成长宽比过千的纳米带。分析原因是二维层内碲-碲键的作用力也很弱。这就提供了用机械剥离的方法，来获得准一维材料的机会，为研究低维性质提供全新的思路。
以上工作获得了复旦大学物理系、应用表面物理国家重点实验室、国家青年计划、优秀青年基金等基金委项目的支持。
论文链接： https://www.nature.com/articles/am2016166
