華南師范大學物理學院教授王瑞強和鄧明勛團隊在拓撲狄拉克半金屬中的外爾軌道及三維量子霍爾效應研究方面取得新進展。相關成果近日在線發表于《物理評論B》（Physical Review B）。
屬于拓撲半金屬家族的外爾半金屬以其低能外爾費米子激發而聞名，這些激發在外爾節點附近具有確定的手性。外爾節點以相反的手性成對存在，作為貝利曲率的源和匯，并由動量空間中的開放費米弧連接。對立表面的費米弧可通過體外爾節點的蟲洞效應實現量子隧穿，形成外爾軌道，為電子運動提供了一種特殊的回旋軌道。由外爾軌道導致的三維量子霍爾效應引發了凝聚態物理學領域的廣泛關注和研究。
拓撲狄拉克半金屬在布里淵區具有兩組表面費米弧，可視為兩套手性相反的外爾半金屬態的重疊。在拓撲狄拉克半金屬中，相同表面上的費米回路可能會由于擾動而導致外爾軌道變形，從而使其不穩定。當同一表面上的費米弧重疊時，外爾軌道的不穩定性可能會因表面摻雜而被放大。
該研究中，研究人員利用圓偏振光操控表面摻雜拓撲狄拉克半金屬中的外爾軌道。研究表明，表面磁性摻雜可以摧毀拓撲狄拉克半金屬中的內稟外爾軌道，從而使相關的三維量子霍爾效應失效。施加圓偏振光后，可以建立外稟外爾軌道，這些軌道是由自旋相反的費米子構成，因表面雜質耦合費米弧所致。由外稟外爾軌道誘導的三維量子霍爾效應可以通過表面摻雜和光照調節，從而在圓偏振光的參數空間中產生可觀察到的量子霍爾臺階。
該研究為穩定外爾軌道和探索拓撲半金屬中的三維量子霍爾效應提供了新視角。
上述研究得到國家自然科學基金、廣東自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎基金等項目的支持。
相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.075136
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