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一些新型拓扑半金属的输运行为研究

王永建  
【摘要】:近年来拓扑绝缘体以及拓扑半金属等一系列拓扑物态成为凝聚态研究领域的热点。新奇的物性和独特的电子结构使得这些量子材料不但成为基础物理的研究平台,也在技术研究领域展现出巨大的潜在应用价值。寻找新的拓扑材料不但有助于理解材料的拓扑特性,而且可以推动和完善拓扑理论。目前,拓扑研究领域主要朝着两个方向发展。一方面,随着拓扑理论研究的不断深入,不断有新的拓扑材料被提出。相关的ARPES和输运测试结果证实新型的拓扑物态,加深人们对这种新型拓扑材料的理解和认识。另一方面,在已经被证实的拓扑材料中,不断有新的拓扑量子效应被发现。而这些新的效应反过来也可以成为探测新型拓扑材料的有力手段。我们的研究主要是利用磁阻和量子振荡等手段来研究拓扑半金属的输运行为。一方面利用磁阻和量子振荡等手段研究新型拓扑半金属材料,给出其拓扑特性的输运证据。另一方面,在已经证实的拓扑半金属中寻找新的拓扑效应。本论文共分为五章:第一章绪论本章分为三个部分,分别系统地介绍了拓扑绝缘体、拓扑半金属以及量子振荡的相关内容。首先我们回顾了拓扑绝缘体的发展历史,接着介绍了拓扑绝缘体的概念、相关理论、拓扑特性以及研究进展。第二小节,我们系统地介绍了 Weyl半金属和Dirac半金属的概念、性质以及相关研究进展。最后简单介绍了一下新型的拓扑半金属,如node-line半金属、Dirac-node-arc半金属、磁性Dirac半金属以及具有三重简并点的半金属材料。在第三小节,我们详细地介绍了量子振荡的原理以及应用。最后对第一章做了总结。第二章关于拓扑半金属PdTe2和PtTe2的输运行为的研究本章我们主要介绍了对于拓扑半金属材料PdTe2和PtTe2的输运测量结果。系统的量子振荡和磁阻测量结果证实,尽管PdTe2具有很复杂的费米面,但是单带主导其输运行为。并且通过定量分析我们确定了主导输运行为的费米面为连接两个电子型费米面的三个全同的手臂型费米面。对于具有相同晶体结构和电子结构的PtTe2,其磁阻同样可以很好的符合Kohler定律。这种单带主导输运行为的现象有可能是这类材料所共有的。第三章关于磁性拓扑半金属材料NdSb输运性质的研究本章主要介绍了关于NdSb材料的理论计算、磁阻和磁性测量结果。高场磁阻和磁性测量结果显示,在低温时NdSb在10T附近有一个反铁磁到铁磁态的转变。我们对两种状态分别进行理论计算,发现NdSb的反铁磁态为Dirac半金属态。我们在反铁磁态探测到了手性反常诱导的负磁阻效应,从而从输运测试方面给出了 NdSb是磁性Dirac半金属的证据。此外,量子振荡结果显示在磁相变附近材料的费米面发生了重构,这可能与f电子和自由电子的耦合有关。第四章Ⅱ类Weyl半金属WTe2的面内霍尔效应本章主要介绍Ⅱ类Weyl半金属WTe2的面内霍尔效应。我们测量的面内霍尔效应和各向异磁阻可以被手性理论公式很好的描述。通过仔细分析,我们证实了 WTe2的面内霍尔效应是手性反常诱导的。此外,WTe2的面内霍尔效应非常明显,很容易被探测到。因此我们的工作不但为WTe2提供了一个拓扑半金属的新的输运证据,也证实了面内霍尔效应是一个探测拓扑半金属态的有力工具。第五章关于Dirac-node-arc拓扑半金属PtSn4的量子振荡的研究本章主要介绍了 PtSn4的量子振荡测量结果。通过系统的量子振荡测量,我们发现两个主要振荡分支具有非常小的有效载流子质量和非常高的量子迁移率等拓扑特征。通过与之前的ARPES数据进行定量对比,我们确定了这两个振荡分支对应于包围Dirac-node-arc的两个费米面。


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