利用超高精度激光自旋分辨角分辨光电子能谱研究拓扑量子材料的自旋电子结构

Topological materials such as the topological insulators, topological Kondo insulators, topological superconductors and topological semimetals are new quantum state with non-trivial topological properties. For example, topological insulators are insulating in their bulk interior but metallic on the topologically protected edge or surface states. It has unique helical spin texture, where the electron spin is locked to its crystal momentum. Such a unique spin texture can suppress electron backscattering because of the protection of the time reversal symmetry, thus making the surface state robust against external perturbations. In fact the novel physical properties of the topological materials have their root in their unique chiral or helical spin texture and study the novel spin texture of these topological quantum materials can therefore capture the key physics of topological phase of quantum materials. The spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy (Spin-ARPES) is the most powerful experimental tools for direct probing the spin and electronic state of these quantum materials. However, it is quite challenging for Spin-ARPES to achieve high energy and momentum resolution. So far the typical energy resolution for Spin-ARPES based on synchrotron radiation light source is range from 50 to 100 meV and thus limits its application for studying the spin texture of the topological materials. We have, for the first time, successfully developed a high-resolution Spin-ARPES system by using the VUV laser. This system demonstrated the best spin-resolved energy resolution (~2.5 meV) in the world and thus provides an important opportunity for us to investigate the novel spin texture of quantum materials. In this research proposal, we plan to study the spin texture of the topological Kondo insulators and topological semimetal by using the advanced VUV laser-based Spin-ARPES system.

拓扑材料是一类具有非平庸拓扑性质的新量子材料，具有非常奇特的自旋电子结构：其中的Dirac电子（或Weyl 电子）自旋和动量表现出一一锁定的特殊自旋电子结构。超高精度自旋分辨角分辨光电子能谱能直接测量和研究这些特殊的自旋电子结构。目前国际上自旋分辨光电子能谱设备寥寥无几，而且即使最好的设备，性能也难以达到目前研究拓扑量子材料自旋电子结构的要求。本项目计划利用我们最新研制成功的激光自旋分辨角分辨光电子能谱系统，对拓扑量子材料的自旋电子结构开展系统和深入的研究。我们的激光自旋分辨角分辨光电子能谱系统在自旋模式下的最高能量分辨率可达2.5meV，是目前国际上最好的自旋分辨角分辨光电子能谱系统，为拓扑绝缘体研究提供了一个独特和理想的实验手段和难得机遇。在本项目中，利用我们自主研制设备的独特和优异性能,研究拓扑近藤绝缘体和拓扑半金属的自旋电子结构，力争在这一凝聚态重要前沿领域取得重要成果。

以拓扑绝缘体为开端的拓扑材料呈现出新奇的物理性质，是凝聚态物理研究的主要热点之一，在自旋电子学等方面具有广泛的应用前景。我们利用自主研制的角分辨光电子能谱仪，同时与同步辐射中心合作，研究了有非平庸拓扑性质的PtBi2和有超导性的Eu(Fe1-xRhx)2As2。主要研究成果如下：在PtBi2中观测到巨大的3D Rashba 型能带劈裂；在Eu(Fe0.88Rh0.12)2As2中研究了超导能隙的缺失。γ-PtBi2的晶体结构属于空间群P31m，不具有反演对称性。它有两个不同的解理面：Bi 原子不共面的Bi 面和Bi 原子共面的Bi 面。两个解理面的能带结构有比较大的差异，不过两个解理面都有许多Rashba 型能带劈裂的特征。其中可作为代表的Surface A（Bi 原子不共面）的Γ点-0.9 eV 附近的Rashba 型能带和SurfaceB（Bi 原子共面）的Γ点-1.5 eV 附近的Rashba 型能带都具有螺旋型的自旋结构。我们在层状六方相（空间群P31m）的γ-PtBi2的M 点发现了一个巨大的各向异性的三维Rashba 型自旋劈裂。ARPES 观测到的能带劈裂和自旋结构和DFT 理论计算有很好的吻合。这个三维自旋劈裂主要起源于γ-PtBi2的反演对称性的缺失和M 点的低对称性诱导的Rashba 和Dresselhaus 自旋轨道耦合的共存。在PtBi2体系研究之外，我们利用ARPES 在Eu(Fe0.88Rh0.12)2As2中没有观测到超导能隙，可能的原因有：1）测量温度离Tc比较近；2）Eu 磁性杂质诱导的无能隙超导体；3）FeAs 超导层处于比较大的Eu 层产生的有效磁场中，导致FeAs 层存在自发的本征的涡旋态，超导能隙被削弱甚至完全抑制而且空间分布不均匀，超出ARPES 的探测极限。Eu(Fe0.88Rh0.12)2As2的超导特征在电阻测量中有反映，但在比热和磁化测量中没有对应的特征。另外，我们还通过比热、磁化和电阻测量，获得了Eu(Fe0.88Rh0.12)2As2的H − T相图，与非超导材料(Eu0.88Ca0.12)Fe2As2的H − T相图非常类似。