【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二維無質(zhì)量狄拉克(Dirac)費(fèi)米子在二維動量空間具有線性色散關(guān)系，對于許多量子現(xiàn)象的出現(xiàn)起關(guān)鍵性的作用。其中一些量子現(xiàn)象受到二維無質(zhì)量狄拉費(fèi)米子的費(fèi)米速度的調(diào)控。因此，與二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的費(fèi)米速度相關(guān)的標(biāo)度關(guān)系是精確調(diào)控相關(guān)量子現(xiàn)象的重要基礎(chǔ)之一。之前，二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的費(fèi)米速度被揭示與電荷自由度相關(guān)物理量具有標(biāo)度關(guān)系。但是，二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的費(fèi)米速度與其他自由度相關(guān)量之間的標(biāo)度關(guān)系尚不清楚。存在于超導(dǎo)態(tài)的受拓?fù)浔Ｗo(hù)的二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子可為探索包括拓?fù)涑瑢?dǎo)在內(nèi)的奇異量子現(xiàn)象提供平臺。然而，二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子還未在鐵砷超導(dǎo)體系的超導(dǎo)體態(tài)被發(fā)現(xiàn)。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室EX1組諶志國研究員指導(dǎo)博士生呂承譜和徐越山(已畢業(yè))，與北京大學(xué)王楠林教授、萊斯大學(xué)戴鵬程教授、西南科技大學(xué)趙建洲副教授等合作者利用強(qiáng)磁場和低溫下紅外光譜研究了“111”型和“122”型鐵砷超導(dǎo)體系體態(tài)朗道能級之間躍遷的光學(xué)響應(yīng)。他們首先在處于超導(dǎo)態(tài)的“111”型鐵砷超導(dǎo)體NaFeAs的相對光電導(dǎo)譜中觀察到兩套帶間朗道能級躍遷的吸收特征T1和T2(如圖(a)所示)。這兩套帶間朗道能級躍遷能量與磁場的根號成線性關(guān)系(如圖(b)所示)，T1和T2能量之間的比值約為2.4(約等于1+√2)(如圖(b)中插圖所示)，且?guī)чg朗道能級躍遷能量線性外延至零磁場時為零。此外，與第零朗道能級相關(guān)的朗道能級躍遷對應(yīng)的光學(xué)吸收特征T1明顯強(qiáng)于其他朗道能級躍遷的光學(xué)吸收。DFT+DMFT計(jì)算顯示NaFeAs沿著動量方向kx和ky有色散為線性的能帶，但是，這些能帶沿著kz方向的色散極弱。以上光譜實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果均表明二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子存在于NaFeAs的超導(dǎo)體態(tài)。
另外，利用強(qiáng)磁場和低溫下紅外光譜測得的NaFeAs，BaFe2As2和CaFe2As2的體態(tài)朗道能級躍遷T1能量與磁場根號的線性關(guān)系(如圖(c)所示)，得到NaFeAs中二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的費(fèi)米速度
約為0.54 × 105 m/s，在BaFe2As2中
約為1.18 × 105 m/s，在CaFe2As2中
約為2.16 × 105 m/s，并發(fā)現(xiàn)NaFeAs和AFe2As2 (A = Ba,Ca)體態(tài)中的二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的費(fèi)米速度
與鐵-砷鍵長呈線性關(guān)系(如圖(d)所示)。
該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目和綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的支持。參與該工作的人員還包括:浙江大學(xué)宋宇研究員、萊斯大學(xué)博士后張承林和美國國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室Mykhaylo Ozerov博士。該研究相關(guān)成果以Letter的形式發(fā)表在Physical Review B，并被選為編輯推薦(Editors’Suggestion)文章【詳見：Phys. Rev. B 111,L241110 (2025)】。
圖(a) 處于超導(dǎo)態(tài)的NaFeAs的相對光電導(dǎo)譜隨磁場的演化。(b) NaFeAs體態(tài)朗道能級之間躍遷的吸收特征T1和T2能量與磁場根號的關(guān)系。插圖顯示T1和T2能量之間的比值。(c) NaFeAs和AFe2As2 (A = Ba,Ca)體態(tài)朗道能級躍遷T1能量與磁場根號的關(guān)系。(d) NaFeAs和AFe2As2 (A = Ba,Ca)中的二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的費(fèi)米速度與鐵-砷鍵長關(guān)系。
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