修发贤课题组与合作者在强磁场下狄拉克半金属朗道能级劈裂和拓扑相变方面取得重要进展。2015年7月13日，其研究成果以Landau level splitting in Cd3As2 under high magnetic fields为题发表在《自然•通讯》杂志（Nature Communications 6, 7779 (2015), DOI:10.1038/ncomms8779）。该工作是由复旦大学物理系和武汉国家脉冲强磁场中心、中科院物理所、澳大利亚昆士兰大学等单位合作完成，论文的第一单位是复旦大学物理系，通讯作者是修发贤教授。
狄拉克半金属是一种新型拓扑量子材料，受晶格对称性保护，其能带上具有简并的狄拉克锥结构，被称为“三维石墨烯”。近期多项研究表明，砷化镉是一种典型的狄拉克半金属，并且具有超高电子迁移率和超大磁阻。另外，狄拉克半金属可作为一系列其他新奇量子态的母体材料，在某些对称性被打破的情况下，体系会相应演化成拓扑绝缘体、外尔半金属和拓扑超导体等。进一步研究这些对称性破缺诱导的相变能使人们对拓扑量子材料有更为深刻的认识，由于三维狄拉克半金属在高维度拓扑材料、拓扑相变等基础领域和量子计算、高迁移率导电材料、磁感应器等应用方面的前景，国际上已经兴起一场关于狄拉克半金属的研究热潮。
为深入探究狄拉克半金属在对称性破缺下的物态演化，修发贤课题组利用高达52T的脉冲强磁场对砷化镉的量子输运进行测量。观察和分析量子震荡随强磁场的变化，可以反推出材料的朗道能级和Berry相位。研究发现，在强磁场作用下会破坏简并形成朗道能级劈裂，其随磁场角度的依赖关系说明轨道耦合和塞曼作用同时对劈裂产生贡献。另外，实验中发现Berry相位在强磁场下出现各向异性，关于磁场角度有个系统的非平庸到平庸的变化。这一实验证明晶格对称性在强磁场下被破坏，体系从狄拉克半金属变成拓扑绝缘体，同时部分角度下的非平庸相位可能是轨道耦合作用引起能带交叠，根据理论，该作用会诱导外尔费米子的形成。这一研究是国际上第一个关于狄拉克半金属磁致相变的实验研究，并提供了实验上形成外尔费米子的另一途径。
图：砷化镉在强磁场下的朗道能级劈裂和Berry相位演化
该工作得到复旦大学物理系、应用表面物理国家重点实验室、国家青年计划、上海浦江人才计划、国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/ncomms8779
