外尔半金属薄膜中新奇拓扑量子态的探测与调控研究

The main goal of this research is to study the topological properties of Weyl semimetal in low dimensional case and seek its regulation pathway. Molecular beam epitaxy and laser molecular beam epitaxy will be employed to prepare high quality thin films of TaAs, HgCr2Se4 and R2Ir2O7 (R=Y,Eu,Sm,Nd) pyrochlore iridates, a set of simple and feasible methods will be developed to control the film thickness, orientation, chemical composition, strain structure and etc. The band structures and the local electrical properties of the thin films will be measured by in-situ UHV 4-probe STM and UHV low temperature and high magnetic field STM. The transport properties, such as magnetoresistance, Hall effect and so on, will be investigated by PPMS and extremely low temperature Hall measurement system. The influence of the electric field, magnetic field, chemical composition, interface and strain on the spin-orbit coupling, band structure and transport properties will be explored, aiming to find the Weyl semimetal phase and other topological phases, and in combination with theoretical calculation to further reveal the influence of these factors on the topological properties of the Weyl semimetal thin films and to reveal its regulation mechanism.

本课题的主要目标是研究低维情形下外尔半金属的拓扑性质以及寻求其调控途径。本课题拟采用分子束外延和激光分子束外延方法制备高质量的TaAs、HgCr2Se4和绿烧石铱氧化物R2Ir2O7（R=Y,Eu,Sm,Nd）薄膜，发展出一整套简单可行的方法来控制上述薄膜的厚度、取向、化学组分和应力结构等；拟利用原位超高真空变温四探针STM和超高真空低温强磁场STM测量上述薄膜的能带结构和局域电学性质，利用物理特性测量系统和极低温霍尔测量系统等测量上述薄膜在低温外场下的磁阻以及霍尔效应等输运特性；探究电场、磁场、化学组分、界面、应力等对自旋轨道耦合、能带结构和输运性质的影响，旨在发现外尔半金属相以及其他与拓扑现象有关的输运现象，并结合理论计算揭示这些因素对外尔半金属薄膜拓扑性质的影响及其调控机理。

本课题的研究内容在原计划的基础上做了一些调整，着重开展了第二类Weyl半金属薄膜中新奇量子态的探测与调控研究。获得了如下研究成果：.1）第二类外尔半金属WTe2-α薄膜中的线性磁阻.系统研究了不同掺杂浓度WTe2-α薄膜中的磁阻行为，并使用最大熵迁移率谱分析了载流子浓度和迁移率。实验发现WTe1.42薄膜的磁阻和磁场的依赖关系是线性的，最大熵迁移率谱分析结果表明WTe1.42薄膜中的电子空穴补偿机制被打破，此结果被Shubnikov-de Haas振荡分析所证实。研究结果表明，WTe2-α薄膜的磁阻行为取决于缺陷/掺杂的浓度，由乱序引起的载流子散射可能会抑制补偿机制并导致线性磁阻产生。.2）WTe2±α薄膜中手性反常诱导的负磁阻的鲁棒性.系统地测量了一系列厚度和掺杂浓度不同的WTe2±α薄膜样品的负磁阻效应。实验中所测样品都只在b轴方向能够观察到手性反常效应导致的负磁阻，说明了WTe2中的手性反常具有各向异性。最大熵迁移率谱分析结果发现2 K温度下空穴掺杂的WTe2.18薄膜中负磁阻最小，电子掺杂浓度最高的WTe1.42薄膜中负磁阻最大。因此，通过掺杂我们有效抑制了正轨道磁阻并调节了费米能级的位置，在厚度和掺杂浓度不同的WTe2±α薄膜样品中均观察到了手性反常诱导的负磁阻，证明了WTe2中手性反常诱导的负磁阻具有鲁棒性。.3）第二类狄拉克半金属PdTe2中由各向异性轨道磁阻引起的平面霍尔效应.系统地测量了第二类狄拉克半金属PdTe2的平面霍尔效应和各向异性纵向磁阻。通过对实验数据拟合发现，电场和磁场垂直和平行时的电阻率随着磁场增加都呈现增长的趋势，由于手性反常导致的R//随着磁场增加而减小，这表明手性反常可能不是PdTe2中平面霍尔效应的起源。进一步的分析表明是各向异性轨道磁阻主导着PdTe2中平面霍尔效应的振幅。而对第二类外尔半金属WTe2的研究结果表明，手性反常和各向异性轨道磁阻对WTe2中平面霍尔效应的振幅都有贡献。上述研究结果表明，不能将平面霍尔效应作为拓扑半金属中手性反常存在的信号，负磁阻效应仍然是鉴别手性反常存在的重要依据。