物质学院陈宇林/柳仲楷课题组在拓扑半金属材料中实现狄拉克费米子维度调控

近日，上海科技大学物质科学与技术学院陈宇林/柳仲楷组在拓扑半金属材料NbSi_xTe₂研究中取得重要进展，实现了狄拉克费米子速度和维度的可控调节。该成果在线发表于学术期刊npj Quantum Materials。

由于量子限域效应，电子被局域在低维度（点、线、面等）运动时会表现出一系列有趣而重要的物理特性，比如在一维量子系统中能够出现自旋电荷分离、手性无耗散输运、Peierls相变等性质，因而相关材料成为基础研究和电子学器件应用的重要研究对象。

新型拓扑半金属NbSi_xTe₂提供了研究一维电子特性的理想平台。此前研究揭示了这种材料具有一维金属链(NbTe₂)结构（图1a），随着Si元素比例x的变化 ，一维金属链间距可从十几埃米（Å）调节到无穷远。

本研究中，课题组利用角分辨光电子能谱技术，系统研究NbSi_xTe₂电子结构的演化。研究发现其中的特征拓扑电子结构一维狄拉克费米子(图1b)与NbTe₂一维金属链存在密切联系：Si元素比例x较大时，较大的金属链间距让电子波函数局限于链上，使得狄拉克费米子呈现出一维特性（图1c）；而x较小时，较小的金属链间距让电子波函数在链间形成交叠，使得狄拉克费米子呈现二维特性（图1d）。因此通过x比例的调节，能够实现狄拉克费米子速度和维度的可控调节(图1e,f)。NbSi_xTe₂中狄拉克费米子的无能隙、高电子速度（~10⁵ m·s^-1）及良好的可调谐性等特征，预示了其在低维电子学器件上的应用前景。

该成果是上科大物质学院科研团队在NbSi_xTe₂材料体系研究中取得的又一重要进展。在之前的工作中，科研团队于2019年首次合成NbSi_0.5Te₂材料并发现其优良中红外响应；2021年先后发现NbSi_xTe₂体系中一维金属链与二维半导体的共存现象、在NbSi_0.5Te₂中发现量子阱态并实现调控。这一系列重要发现将为这种材料体系的深入研究和器件应用奠定良好基础。

该成果论文题为“Observation of Dimension-Crossover of a Tunable 1D Dirac Fermion in Topological Semimetal NbSi_xTe₂”，由上海科技大学与南京大学、新加坡科技设计大学协作完成。上科大物质学院2019级博士研究生张敬为第一作者，上科大特聘教授陈宇林、副教授柳仲楷为共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。

图1：NbSi_xTe₂中狄拉克费米子维度转变。 (a) NbSi_xTe₂中金属原子链的隧道扫描显微形貌谱。(b) NbSi_xTe₂中狄拉克费米子的角分辨光电子能谱。(c-d) 一维和二维狄拉克费米子色散关系示意图。(e) 不同x样品的狄拉克费米子费米速度在动量空间演化。 (f)对(e)的理论模拟。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41535-022-00462-6