外尔半导体实验获进展

在新的量子材料中，具有特殊能带结构的拓扑材料也具有新的电子输运性质。相关研究不仅可以加深对拓扑状态的理解，还可以促进新型高性能电子器件的发展。一个典型的代表是目前引起广泛关注的外半金属体系。它的输运研究往往表现出许多特性，如超大非饱和磁电阻、平行磁场下的负磁电阻效应、平面霍尔效应等。表面上的外半金属弧提供了具有高迁移率和低功耗的电子通道。所有这些特征都源于费米表面附近费米子的存在。

迄今为止，外费米子和外物理学的研究仅限于半金属体系。然而，从器件应用的角度来看，半导体与半金属相比有其独特的价值。最近，中国科学院国际功能材料量子设计中心和中国科学技术大学合肥国家微尺度材料科学研究中心强耦合量子材料物理重点实验室的曾昌赣教授和王正非教授在实验和理论方面进行了合作。首次在单元素半导体碲中发现了费米子占主导地位的手征异常和具有对数磁场周期的量子振荡，成功地将费米物理学扩展到半导体系统。研究结果最近发表在《美国国家科学院院刊》的网上。

碲是一种窄带半导体。由于空间反转对称性破缺和相应的强自旋轨道耦合，在价带顶部附近有一个外能点，在那里价带相交。该团队通过物理气相沉积制备了高质量的碲单晶，其空穴自掺杂特性使得费米能级位于价带的顶部，从而显著增强了外费米子对输运性质的影响。低温输运研究进一步揭示了碲单晶由于手性异常表现出典型的磁输运特性，包括磁场平行于电流方向时的负磁阻效应和磁场在样品平面内时的平面霍尔效应。借助合肥中国科学院强磁场科学中心和武汉国家脉冲强磁场科学中心的强磁场装置，该团队进一步发现了以磁场的对数为周期的磁电阻和霍尔电阻的罕见量子振荡。这种新型的量子振荡是自相似离散标度不变性的体现，这可归因于碲晶体中的精细结构常数(7.5)远大于真空值(1/137)，从而使外费米子和相反的电荷中心以共振态的形式形成准束缚态。

这项工作首次实现了将新型拓扑性质和半导体性质有机结合的“拓扑外半导体”。如果费米能级从价带调整到能隙，就会发生金属-绝缘体跃迁，伴随着从拓扑非平庸态到平庸态的跃迁。外层半导体的这一独特特性并不存在于外层半金属中。瓦勒半导体的发现为设计新型拓扑半导体器件提供了新的思路。

相关论文信息:https://www.pnas.org/content/early/2020/05/11/2002913117