第二类狄拉克半金属PtTe2的最新研究|压力诱导的Lifshitz转变

IMAGE: PtTe2能带结构和输运性质随压力演化图：(a)体积(Volume)-压力(P)曲线&能带结构；(b) 费米面演化(Lifshitz转变) & R-T 曲线；(c) 载流子浓度和 (d) 磁阻 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

Lifshitz相变

Lifshitz相变最早是由前苏联科学家Lifshitz提出的一种用于描述费米面几何拓扑性变化的概念，将复杂的能带演化过程简要概括为拓扑数的变化，从而将复杂的物理问题抽象为数学问题。

拓扑半金属

拓扑概念在物理学中有着广泛的应用，兴起于拓扑电子态对量子霍尔效应的成功解释，兴盛于拓扑绝缘体和拓扑半金属材料的理论预言和实验验证。拓扑半金属是一类具有奇异拓扑能带结构的半金属，根据其能带拓扑性和简并性，可以分为：Dirac Semimetal (DSM), Weyl Semimetal (WSM)以及Nodal-line Semimetal。其中DSM依据其狄拉克点位置与拓扑能带形状的不同而分为第一类DSM和第二类DSM (引自文献[1])。

该项研究主要关注第二类DSM材料PtTe2在压力调控下的能带演化规律，及其对宏观输运性质的影响。以 “Pressure-induced Lifshitz transition in the Type II Dirac Semimetal PtTe2”为题出版在2019年第62卷第4期的 SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版)上，由北京高压科学研究中心杨文革研究员、清华大学段文晖教授和复旦大学沈健教授共同担任通讯作者撰写。

压力作为一种重要的调控手段在发现新现象、阐释新物理与新机制方面发挥着重要作用。该研究发现压力将诱导PtTe2的能带发生拓扑相变，具体体现在：i) 高压下，其Dirac点随压力逐渐远离费米面，并在10 GPa左右打开能隙，由拓扑半金属态演化成普通金属态（如图1(a)所示）；ii) 进一步加压则发现其普通能带几何拓扑连通性发生了改变（从1套连通的3花瓣状演变成3个分立的圆状，几何拓扑数从1演变成3），即Lifshitz相变（如图1(b)所示）。Lifshitz相变期间，其输运性质也发生了转变，包括：R-T曲线的变化（如图1(b)所示），载流子浓度的降低（如图1(c)所示），以及磁阻效应的改变（如图1(d)所示）等。高压XRD测量则表明在该范围内晶体结构非常稳定，无结构相变。综合来看，在以PtTe2为代表的拓扑半金属体系中，费米面处的普通体态能带结构也对其宏观输运性质有重要影响，从而刷新了人们对拓扑半金属普通体态能带的认识。

该研究从压力调控角度揭示了普通体态能带结构演化对第二类拓扑Dirac半金属材料宏观输运性质的影响，对理解拓扑材料宏观物性具有重要理论意义。从工程应用角度来看，磁阻显著的压力效应也预示着PtTe2体系在极端条件下的磁传感器件方面具有巨大潜在应用价值。

###

参考文献

[1] M. Z. Yan, H. Q. Huang, K. N. Zhang, E. Y. Wang, W. Yao, K. Deng, G. L. Wan, H. Y. Zhang, M. Arita, H. T. Yang, Z. Sun, H. Yao, Y. Wu, S. S. Fan, W. H. Duan, and S. Y. Zhou. Nat. Commun. 8, 257 (2017).

更多详情请阅原文：

FengLiang Liu, JiaHeng Li, KeNan Zhang, Shang Peng, HuaQing Huang, MingZhe Yan, NaNa Li, Qian Zhang, SongHao Guo, XuJie Lü, Peng Cai, LiFeng Yin, ShuYun Zhou, WenHui Duan, Jian Shen, and WenGe Yang, Pressure-induced Lifshitz transition in the type II Dirac semimetal PtTe2. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 62(4), 048211 (2019), https://doi.org/10.1007/s11433-018-9319-3.