合肥光源用户在节线型拓扑材料电子结构研究中获新进展学术资讯

内容来源：中国科学院重大科技基础设施共享服务平台

节线型拓扑半金属中存在能带翻转导致的一维节线型非平庸拓扑电子态和对应的鼓膜状表面态。不同于孤立的节点，受拓扑保护的一维节线有各种构型，比如直线型，曲线型，环状等。特别是当节线靠近费米能级时，材料会表现出更为新奇的物理性质。最近，理论计算发现在SrAs3一类材料（CaP3，SrP3，CaAs3和SrAs3等）的费米能级附近存在极为简单的节点环（nodal ring）拓扑电子结构。并且，磁阻和量子震荡实验发现手性电子诱导的负磁阻和非平庸贝里相位等节线型拓扑电子态存在的实验证据。但是，仍然欠缺最为直接的电子能谱实验证据。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘中灏、沈大伟研究员课题组，与北京师范大学教授殷志平课题组以及南京大学教授温锦生课题组开展合作研究，通过合肥光源和上海光源的高分辨角分辨光电子能谱（ARPES）实验线站并结合第一性原理计算对高质量的SrAs3单晶样品的低能电子结构进行了详细研究。该工作利用ARPES实验技术，通过改变光子能量，在极低能量光子下（9~20 eV）直接观测到了SrAs3材料中布里渊区Y 点费米能级附近的节点环拓扑电子结构。第一性原理计算表明，该节点环是由As的4p 轨道能带翻转导致，受到空间、时间对称性和晶面对称性的保护。实验发现，与之前报道的节线型拓扑半金属不同，该材料费米能级附近的电子结构极为简单干净，即只存在一个节点环构成的费米面，与其他拓扑平庸的能带无相互干涉。因此，SrAs3一类材料是研究节线型拓扑量子态及其新奇输运性质的理想平台，并具有重要的潜在应用价值。另外，该研究过程中发现As 4p 轨道散射截面对光电子能谱强度有着重要影响，费米能级附近As 4p 轨道贡献的电子结构只在极低能量光子下才有可能被清晰观测到。合肥同步辐射光源ARPES线站在该光子能量区段亮度和分辨率优势明显，对利用光电子谱实验研究类似材料有着独特优势。

图1.（a）SrAs3晶体原胞结构。（b）SrAs3布里渊区。位于Y-G-S 平面内的红色环为nodal ring拓扑电子结构。（c）第一性原理计算的沿高对称性方向的费米能级附近的能带结构。Y 点附近的As 4p 轨道能带翻转。（d）As 4p 轨道的散射截面。17 eV对应的散射截面比50 eV对应值高出约两个量级。考虑到光电流强度和散射截面的平方关系，理论上17 eV对应的光电流强度比50 eV对应值高出约四个量级。（e）通过改变光子能量测量的Y 点附近nodal ring拓扑电子结构。