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朱增伟教授团队在强磁场下半金属的奇异行为研究上获重要进展
发布时间:2017-05-22

      5月19日,《自然·通讯》(Nature Communications,影响因子11.47,DOI:10.1038/NCOMMS15297)在线刊发强磁场物理研究所“青年千人”朱增伟教授团队题为“利用强磁场排空铋中狄拉克谷”(Emptying Dirac valleys in bismuth using high magnetic fields)的论文。朱增伟教授为第一作者和通讯作者,博士生王金华作为第二作者对本项研究作出了重要贡献,博士左华坤和国家脉冲强磁场科学中心的高端外国专家Kamran Behnia教授等参与了该论文相关工作。

 

      铋(Bismuth)作为传统的半金属材料,在凝聚态物理中扮演着重要的角色,科学家们围绕它发现了包括塞贝克效应(Seebeck effect)、能斯特效应(Nernst effect)、量子振荡和大磁阻在内的很多重要物理现象。随着具有低载流子的拓扑材料不断被发现,以铋为代表的低载流子材料中三维电子气在超强磁场下所发生的现象成为近年的研究热点,有关铋的输运特性的研究也受到学术界广泛关注。围绕这些研究热点,朱增伟教授团队对半金属铋在强磁场下的奇异行为进行了深入研究。

 

      铋单晶中存在着三个等价的具有狄拉克电子口袋,有谷的自由度,费米能较低,沿trigonal方向9T的低磁场就能让电子处于最后一个朗道能级,达到量子极限。当半金属铋在磁场沿着其晶体的高对称方向binary或者bisectrix时,磁电阻在约为40T的磁场附近突然剧烈下降,以往的研究认为这是由于空穴的朗道能级离开费米面而导致了磁阻剧烈降低。该团队通过对这一现象进行深入的研究,对沿binary-bisectrix的角度依赖磁电阻进行了测量,并结合理论计算,证明了该磁电阻的下降与狄拉克谷有直接的关系,即当磁场高于阈值Bempty时,一个或两个狄拉克谷会被完全排空到另外的狄拉克谷,电子在由迁移率高的狄拉克谷转移到迁移率低的狄拉克谷过程中,使得电导成倍增大,最终导致磁阻剧烈降低。同时,该研究也确认了铋是第一个其回旋能量足够大到可以使得其费米海能被清空的材料。

 

      朱增伟教授于2014年入选“青年千人计划”,是国家脉冲强磁场科学中心电输运实验站负责人。朱增伟教授长期从事凝聚态物理领域研究,现主要研究方向为极低温和脉冲强磁场等极端条件下的物理。回国后2年来,围绕半金属中输运行为,朱增伟教授充分利用国家脉冲强磁场科学中心的平台优势和实验条件,深入开展相关研究,其团队先后在《物理评论快报》(Physical Review Letters,DOI:10.1103/PhysRevLett.114.176601,2015/05)、《物理评论B》(Physical Review B,DOI:10.1103/PhysRevB.95.014502,2017/01)等国际权威期刊发表学术论文,持续产出一批高水平成果。

 

 

      该研究得到了国家“青年千人”计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划、“111”引智计划及我校高端外专项目等项目的支持。

 

      论文链接:Emptying Dirac valleys in bismuth using high magnetic fields

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