中國(guó)粉體網(wǎng)訊  在新型量子材料中，具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)洳牧弦布婢咝缕骐娮虞斶\(yùn)特性。相關(guān)研究不僅可以加深對(duì)于拓?fù)湮飸B(tài)的理解，更有望推動(dòng)新型高性能電子學(xué)器件的發(fā)展。一個(gè)典型的代表是目前引起廣泛關(guān)注的外爾半金屬體系，其輸運(yùn)研究往往表現(xiàn)出超大非飽和磁阻、平行磁場(chǎng)下的負(fù)磁阻效應(yīng)、平面霍爾效應(yīng)等諸多特性，而表面外爾弧更是提供了高遷移率和低功耗的電子學(xué)通道。這些特性都源自費(fèi)米面附近外爾費(fèi)米子的存在。

迄今為止，對(duì)于外爾費(fèi)米子以及外爾物理的研究都局限于半金屬體系。然而從器件應(yīng)用角度，半導(dǎo)體相對(duì)于半金屬有其獨(dú)特的價(jià)值。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心和物理系中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授曾長(zhǎng)淦研究組與王征飛研究組實(shí)驗(yàn)與理論合作，首次在單元素半導(dǎo)體碲中發(fā)現(xiàn)了由外爾費(fèi)米子主導(dǎo)的手性反�，F(xiàn)象以及以磁場(chǎng)對(duì)數(shù)為周期的量子振蕩，成功將外爾物理拓展到半導(dǎo)體體系。該研究成果以Magneto-transport signatures of Weyl physics and discrete scale invariance in the elemental semiconductor tellurium 為題，于5月12日在線發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上（DOI: 10.1073/pnas.2002913117）。

碲是一種窄能帶半導(dǎo)體，由于空間反演對(duì)稱性破缺以及相應(yīng)的強(qiáng)自旋軌道耦合，在價(jià)帶頂附近存在能帶交叉的外爾點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)通過物理氣相沉積法制備出高質(zhì)量碲單晶，其空穴自摻雜特性使費(fèi)米能級(jí)處于價(jià)帶頂，進(jìn)而顯著增強(qiáng)了外爾費(fèi)米子對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。低溫輸運(yùn)研究進(jìn)一步揭示了碲單晶表現(xiàn)出由于手性反常導(dǎo)致的典型磁輸運(yùn)特征，包括磁場(chǎng)平行于電流方向時(shí)的負(fù)磁阻效應(yīng)，以及磁場(chǎng)在樣品平面時(shí)發(fā)生的平面霍爾效應(yīng)。借助于合肥中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心以及武漢國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心的強(qiáng)磁場(chǎng)裝置，該團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了罕見的以磁場(chǎng)對(duì)數(shù)為周期的磁阻和霍爾電阻量子振蕩。這種新型量子振蕩是自相似的離散標(biāo)度不變性的體現(xiàn)，可以歸因于碲晶體中精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)（7.5）遠(yuǎn)大于真空取值（1/137）從而使外爾費(fèi)米子與異性電荷中心形成共振態(tài)形式的準(zhǔn)束縛態(tài)。

該工作首次實(shí)現(xiàn)了將新奇拓?fù)鋵傩院桶雽?dǎo)體屬性有機(jī)結(jié)合的“拓?fù)渫鉅柊雽?dǎo)體”。如果把費(fèi)米能級(jí)從價(jià)帶調(diào)到能隙，會(huì)發(fā)生金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，并伴隨拓?fù)浞瞧接箲B(tài)到平庸態(tài)的轉(zhuǎn)變，這一外爾半導(dǎo)體獨(dú)有的特性不存在于外爾半金屬。外爾半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)新型拓?fù)浒雽?dǎo)體器件提供了新思路。

曾長(zhǎng)淦、王征飛和特任副研究員李林為論文共同通訊作者，博士生張南、趙贛和特任副研究員李林為論文共同第一作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、中科院以及安徽省的資助。

（中國(guó)粉體網(wǎng)整理/江岸）

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