中国科大潘建伟院士团队再登Science！

外尔半金属（Weyl semimetals）有拓扑非平庸的能带结构，在基础物性研究方面具有重要地位。同时，其线性色散关系又使得外尔半金属成为一种相对论性的电子系统，被称为是“三维的石墨烯”，在器件应用方面有巨大的潜在价值。

许多化合物已经被确认为外尔半金属，这种材料具有一种不寻常的电子带结构，外尔半金属是三维无间隙拓扑相，在体带中存在外尔锥(或外尔点)。根据格点论，外尔锥必须成对出现，锥的最小数目为两个。只有两个外尔锥的半金属是理想外尔半金属（IWSM）。但迄今为止研究的固态材料至少有四个外尔锥。

中国科大潘建伟院士、陈帅教授和北京大学刘雄军教授合作在Science发文，他们在一种被困在光学晶格中的超冷原子气体中，用最少的外尔点设计了外尔半金属态。要做到这一点，研究人员必须在这个系统中创建三维自旋轨道耦合。由此产生的带结构的相对简单性使观察与这种状态有关的异常效应变得容易。在平衡态下，通过虚拟切片成像技术可以清晰地测量拓扑外尔点，并在淬火动力学中得到进一步的解决。理想外尔半金属波段的实现为研究固体中难以接触的各种奇异现象开辟了一条途径。

本文亮点

1、通过对超冷原子进行3D自旋轨道耦合（3D SOC）工程所得到的能带结构相对简单，将使观察与该状态相关的异常影响变得更加容易，实现了对IWSM带的实验实现。
2、通过平衡态下的虚拟切片成像技术可以清楚地测量拓扑Weyl点，并利用淬灭动力学进行了更鲁棒性的解析。3、IWSM带的实现为研究固体中难以接近的各种奇异现象开辟了一条新途径。
图文解析


▲图1.  实验装置和3D SOC
要点： 1、作者在捕获光学晶格中的超冷原子气中，使用构建的3D光学拉曼晶格系统创建了3D SOC从而实现了具有最少Weyl点数（两个）的Weyl半金属态。2、证明了在具有2.0×10⁵个原子的光学捕获的⁸⁷Rb玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）中，在|↑⟩= | 1，-1⟩状态下实现了3D SOC，BEC的3D动量分布证实了3D SOC耦合的成功实现。
▲图2. 平衡法中IWSM相的相图和直接观察

▲图3. 平衡法直接观察到具有四个Weyl节点的半金属带

要点： 1、为了实验确定Weyl节点的位置，研究发现可以表征给定qz平面2D带结构的陈数。Weyl节点的位置还可以通过测量2D QAH谱带的拓扑变化来确定。2、作者找到对应的Weyl节点，并使用精心准备的热原子探索IWSM谱带的拓扑相图。通过∣∣h（q^W）∣∣= 0确定Weyl节点动量q^W。3、通过上述实验手段和平衡法，作者相继直接观察到了IWSM相和具有四个Weyl节点的半金属带。
▲图4.  淬灭动力学测量Weyl节点

要点：1、尽管能够以直观的方式重现上述拓扑特性，但平衡法仍受温度不确定性和高光谱效应的影响。因此，作者还应用了另一种方法——非平衡淬灭动力学——在定位Weyl节点的位置时更鲁棒。2、 IWSM的实现可以探索更多奇异的量子现象。例如对手征异常的间接特征干净直接的探测、使用失谐的激光在Weyl系统顶部产生潜在的无序脉冲、实现准周期性的Weyl半金属。3、本文构建的实验系统具有普适性，可以立即应用于通过调整强相互作用来访问各种相关相位的费米电子系统。对于3D SOC费米气还可以实现拓扑超流性。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/372/6539/271

新闻来源：搜狐网、研之成理、中国科学技术大学校友会

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