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研究快讯 | 共线反铁磁中的手性狄拉克费米子
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EXPRESS LETTER
Chiral Dirac Fermion in a Collinear Antiferromagnet
Ao Zhang (张奥), Ke Deng (邓可), Jieming Sheng (盛洁明), Pengfei Liu (刘鹏飞), Shiv Kumar, Kenya Shimada, Zhicheng Jiang (江志诚), Zhengtai Liu (刘正太), Dawei Shen (沈大伟), Jiayu Li (李嘉裕), Jun Ren (任俊), Le Wang (王乐), Liang Zhou (周良), Yoshihisa Ishikawa, Takashi Ohhara, Qiang Zhang, Garry McIntyre, Dehong Yu, Enke Liu (刘恩克), Liusuo Wu (吴留锁), Chaoyu Chen (陈朝宇), and Qihang Liu (刘奇航)
Chin. Phys. Lett. 2023 40 (12): 126101
DOI: 10.1088/0256-307X/40/12/126101
文章亮点
寻找对称性保护的新奇物态是凝聚态物理的研究热点。本文首次提供了共线反铁磁CoNb3S6中存在狄拉克型手性费米子的实验证据，这种新型准粒子是由自旋群中一种隐藏SU(2)对称性保护的。本文还基于手性狄拉克费米子的图像提出了一种解释CoNb3S6中反常霍尔电导的物理机制。这些发现为探索反铁磁材料非常规准粒子中的新效应提供了新的思路。
CoNb3S6的费米弧表面态。左上：反铁磁CoNb3S6的共线磁结构。右上：ARPES测量的费米面。下：DFT计算三个等价磁畴的费米面叠加构建的具有六重旋转对称性的费米面。
共线反铁磁中的手性狄拉克费米子
研究背景
狄拉克半金属与外耳半金属是从高能物理中的概念出发衍生的凝聚态物理中的新奇物态，并一直受到人们广泛关注。受空间-时间反演对称性的保护，狄拉克半金属动量空间的四重能量简并点会形成狄拉克费米子。狄拉克费米子由无质量的狄拉克方程描述，其解可以看作由两个相反手性的外尔费米子叠加而成，所以狄拉克费米子的手性为零符合物理学家的传统认知。其对应的表面态——费米弧一般不受拓扑保护。
一个狄拉克型的费米子可否通过连接两个手性相同的外尔费米子而产生非零的手性？受高能物理中连接质子和中子的一种味对称性，即同位旋对称性启发，南方科技大学刘奇航课题组在理论上指出在一类弱自旋-轨道耦合的反铁磁体系中，由于自旋与晶格对称性的部分分离，该体系隐含有一种由晶格平移联合自旋转动生成的SU(2)对称性。类比高能物理中的同位旋对称性，这种对称性会联系起两个手性相同的外尔费米子，使之组合为一个四重简并的非零手性费米子，称为“手性狄拉克费米子”。区别于传统的狄拉克半金属，此类体系同时具有二重简并和非简并的表面态，并且表面态受到拓扑保护。然而，与此相关的实验探索仍然是该领域的研究空白。
内容简介
最近，南方科技大学刘奇航课题组、量子科学与工程研究院陈朝宇课题组以及南方科技大学吴留锁课题组联合理论计算、角分辨光电子谱、中子散射以及输运实验证实了共线反铁磁体CoNb3S6中存在手性狄拉克费米子。相比于无手性的传统狄拉克费米子，手性狄拉克费米子的能带色散形式完全相同，但是由两个具有相同手性的外尔费米子组成，因此具有±2的拓扑荷。该研究观测到了与手性狄拉克费米子的拓扑表面态高度吻合的角分辨光电子能谱数据，并指出CoNb3S6的共线反铁磁结构以及三重旋转对称性导致的多重磁畴导致了实验观测的费米面形态。同时，该工作通过输运实验测量了CoNb3S6中的反常霍尔电导，结合理论计算证实了手性狄拉克费米子结合特定的对称性破缺可能是CoNb3S6中出现反常霍尔电导的物理起源。
研究意义和重要性
结合中子散射，角分辨光电子能谱，以及输运的观测和理论分析，该研究为自旋群对称性保护的手性狄拉克费米子的存在提供了可靠的证据。同时该研究阐明了CoNb3S6可能存在的多磁畴共线磁结构，以及反常霍尔效应的起源，为探索反铁磁自旋电子学新效应提供了新的思路。
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