我國研究團隊在Ta2Se8I中發現第三類外爾費米子

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員周建輝和北京理工大學教授姚裕貴團隊、清華大學教授周樹云等合作，預言并在高溫相的電荷密度波材料Ta2Se8I中發現第三類外爾費米子。此外，研究人員還發現它具有“三高”特性：高溫相、高陳數、高階傾斜項。相關研究成果以Type-Ⅲ Weyl semimetals: (TaSe4)2I 為題，在Physical Review B上以Letter形式發表。該研究獲得編輯的高度評價，被選為編輯推薦文章（Editors’Suggestion）。

　　該研究發現，晶體對稱性可以在外爾準粒子運動方程中誘導出二階甚至更高階的傾斜項。不同于線性傾斜項，二階傾斜項在多重外爾半金屬（陳數為2或3）導致全新的第三類外爾費米子，它具有獨特的費米面：電子-電子或空穴-空穴口袋的費米面在同一個高陳數的外爾點處相接觸（圖1(c)）。基于外爾點的廣義傾斜項，研究人員提出了直觀且清晰的物理機制，可以統一地分類第一、二、三類外爾半金屬。這種二階傾斜項在線性的外爾方程中不占主導，只有在高陳數的外爾半金屬中才能夠起主導作用。此外，由于高陳數的外爾半金屬尚缺乏實驗證據，這使得學界在過去一直沒有發現它。

　　角分辨光電子能譜實驗表明，高溫相的Ta2Se8I（圖1(d)）具有第三類外爾費米子的特征能量色散。此外，研究人員還發現二階傾斜項導致第三類外爾半金屬的朗道能級的上翻現象以及手性朗道能級的劈裂，這些均可作為實驗中診斷第三類外爾半金屬的指針性證據。

　　事實上，低溫相的Ta2Se8I作為經典的電荷密度波材料已被寫入固體物理教科書，但學界對其高溫相的拓撲性質和派爾斯相變機制的認識還不夠清楚。該研究首次揭示了高溫相的Ta2Se8I中外爾半金屬的本質，將為探討相關的新奇物性提供理論指引（如圖1(e) 所示）。研究人員預言的第三類外爾費米子也被其他課題組在鐵磁材料X2RhF6（X=K, Rb, Cs）中發現（Phys. Rev. B 102, 195104 (2020)）。

　　研究工作得到中科院、強磁場安徽省實驗室的支持。

三類外爾點的示意圖：（a）第一類外爾半金屬的點類型費米面；（b）第二類外爾半金屬的電子-空穴口袋型費米面；（c）第三類外爾半金屬的電子（空穴）-電子（空穴）口袋類型費米面；（d）Ta2Se8I的晶體結構；（e）001面上四重螺旋表面態