上海光源“梦之线”用户国际上首次实验证实非点群拓扑绝缘体中沙漏费米子

“拓扑”是数学中的一个概念，近年来被广泛应用于物理领域。随着拓扑能带理论研究的不断深入，涌现出形形色色的对称性保护的拓扑量子物态，如拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导等等。这些拓扑态中的准粒子激发可以类比于高能物理中的费米基本粒子，如拓扑绝缘体边界态中的二维无质量狄拉克费米子、狄拉克半金属中的三维无质量狄拉克费米子、外尔半金属中的外尔费米子、拓扑超导中的马约拉纳零能模。在2015年，中科院物理所丁洪研究员和钱天副研究员共同指导博士生吕佰晴，在上海光源“梦之线”首次从实验上发现了外尔费米子【Physical Review X 5, 031013 (2015)】，该成果分别入选了美国和英国物理学会评选的2015年国际物理学八大亮点和十大突破，以及2015年中国科学十大进展和中国十大科技进展新闻。

2016年初，普林斯顿大学的王志俊博士和Bernevig教授及合作者从理论上提出了具有非点空间群的拓扑绝缘体，在边界存在滑移面保护的拓扑表面态。该表面态的能带结构形态类似沙漏，其低能激发的准粒子被命名为沙漏费米子，区别于其它拓扑绝缘体中的狄拉克费米子（图1）。他们还预言了首个非点群拓扑绝缘体KHgX (X = As, Sb, Bi)系列。

中科院物理所丁洪研究员和钱天副研究员指导博士生马均章和吕佰晴，在上海光源“梦之线”角分辨光电子能谱（ARPES）实验站对非点群拓扑绝缘体KHgSb的电子结构进行了细致的测量，观测到沙漏型色散的表面态，提供了沙漏费米子的实验证据。物理所石友国研究员和博士生伊长江提供高质量的KHgSb单晶样品，普林斯顿大学王志俊博士和物理所博士生聂思敏和翁红明研究员进行了能带计算。

KHgSb具有非点群的晶体结构，存在滑移轴和滑移面（图2A）。理论计算表明，滑移面保护（010）表面布里渊区方向具有沙漏型的表面态能带（图2F），而在（001）表面体态能隙中不存在任何表面态（图2E）。丁洪课题组在“梦之线”上用ARPES分别测量了KHgSb不同解理面的电子结构。在（001）面清晰地观测到体态能带，揭示了体态能隙中没有表面态（图2C）。在（010）面体态能隙中观测到了表面态。通过测量（010）表面布里渊区不同方向表面态的能带色散，总结出（010）表面态电子结构（图2D），与计算结果高度一致，提供了非点群拓扑绝缘体存在沙漏费米子的第一个实验证据。

这一研究成果5月5日在线发表在【Science Advances 3, e1602415 (2017)】上。物理所石友国、钱天和丁洪为该文共同通讯作者，物理所博士生马均章、伊长江、吕佰晴和普林斯顿大学王志俊博士为该文共同第一作者。该工作得到了科技部“国家重大科学研究计划”和“国家重点研发计划”、国家自然科学基金委和中国科学院先导B项目的支持。(物理与环境部 供稿)

图1：（A）和（B）分别为具有点群空间对称性的拓扑平庸和非平庸绝缘体表面态能带示意图。（C）和（D）分别为具有非点群空间对称性的拓扑平庸和非平庸绝缘体表面态能带示意图。

图2：（A）KHgSb晶体结构示意图，黄色的面代表滑移面。（B）体态以及不同表面投影的布里渊区示意图。（C）ARPES实验测量的（001）面能带色散。（D）从ARPES实验结果提取的（010）面表面态电子结构。（E）理论计算的（001）面能带投影。（F）理论计算的（010）面能带投影，方向具有沙漏型的表面态能带。