拓扑半金属中等离激元特性的实验观测与研究

Plasmon is one of the most important elementary excitations in condensed matter. With the development of researches related to topological matter, the characteristics of the plasmons in topological materials became one of the focuses in condensed matter research. Recently, the properties of the plasmons in topological semimetals have drawn a lot of attentions from the perspective of theoretical approaches. The most representative theoretical predictions are (1) drastic changes of the bulk palsmon energy with the change of temperature, and (2) different energies in opposite propagating momentum directions of the surface plasmon mode. These special properties may have great application potential in plasmonics, and moreover they can be identified as the experimental signatures of the chiral Fermions in topological semimetals. However, the experimental investigations on plasmons in topological semimetals are still very limited. Especially there is no existing experimental data on the plasmon dispersions in topological semimetals. This project will use the new facility of the high resolution electron energy loss spectroscopy to study the plasmon dispersions and properties of several prototypical topological semimetals. This project is expected to obtain a large amount of experimental data and generate detailed physical pictures of the plasmons in topological semimetals. As a result it will provide some research basis for the related applications of the plasmons in topological semimetals.

等离激元是凝聚态体系中最重要的元激发之一。随着对拓扑材料研究的深入，拓扑材料中等离激元的特性成为了凝聚态物理的重要研究热点。最近，拓扑半金属的等离激元性质在理论层面开始受到广泛关注，其中预测的最有代表性的特征是（1）体相等离激元模式的能量随着温度而急剧变化，及（2）表面模式在正负两个相反的传播方向上可能具有不同能量。这些独特的性质不仅在等离子光子学中具有很强的应用潜质，也可以作为拓扑半金属存在手性费米子的实验标签。然而，目前在实验上对拓扑半金属等离激元特性的研究还非常有限，还没有任何对拓扑半金属等离激元色散测量的实验数据。本项目将利用新型高分辨电子能量损失谱为手段，以几种典型的拓扑半金属为研究体系，精确测量几类拓扑半金属中的等离激元的色散，解决目前拓扑半金属等离激元色散实验数据极度缺乏的问题，得到拓扑半金属中等离激元的详细物理图像，为拓扑半金属中等离激元的相关应用提供研究基础。

等离激元是凝聚态体系中最重要的元激发之一。随着对拓扑材料研究的深入，拓扑材料中等离激元的特性成为了凝聚态物理的重要研究热点。最近，拓扑半金属的等离激元性质在理论层面开始受到广泛关注，这些独特的性质不仅在等离子光子学中具有很强的应用潜质，也可以作为拓扑半金属存在手性费米子的实验标签。在本项目的支持下，我们利用自行设计搭建的二维高分辨电子能量损失谱仪（2D-HREELS）对典型拓扑半金属材料的表面集体激发进行了研究，包括用2D-HREELS测量了几类典型的外尔半金属、节线型半金属等单晶样品解理表面的等离激元色散，并系统研究了这些等离激元随温度变化的奇异特性。此外，我们还通过表面声子的测量，详细研究了半金属体系中元激发之间的相互作用。项目取得的主要成果包括：（1）在拓扑节线半金属中首次发现了与节线电子密切相关的集体激发模式；（2）在第二类外尔半金属中首次发现了与拓扑电子态相关的带间跃迁等离激元；（3）发现了拓扑节线半金属表面奇异电子能带引起的电子声子相互作用。目前，在项目的支持下已在知名期刊上发表研究论文８篇，在相关领域产生了比较重要的影响。