二磷化钨——具有较强且可调控电阻率各向异性的第二类外尔半金属

来源：中科院物理所

探索第二类外尔半金属材料并研究其中奇异物性是目前拓扑量子物理研究中受到广泛关注的领域之一。理论预言二磷化钨WP2是第二类外尔半金属。因为WP2中磷原子和过渡族金属钨原子之间较大的电荷密度分布差异导致其晶体结构的对称性难以通过X射线衍射来直接确定，所以作为WP2第二类外尔半金属态出现的前提条件之一的空间反演对称性破缺有待实验进一步证实。此外，WP2的晶体ac面内电阻率的各向异性随温度的变化还未被实验研究，并且其晶体ac面内电阻率的各向异性能否被磁场调控尚不清楚。 

中国科学院物理研究所谌志国研究团队与合作者开展了WP2的空间反演对称性和其ac面内电阻率各向异性的研究。他们利用转角线偏振拉曼光谱测得WP2中拉曼活性声子的能量以及声子峰强与晶体a轴和入射光电场方向之间夹角的关系均与第一性原理计算其空间反演对称性破缺的晶体结构（空间群Cmc21）得到的结果一致。拉曼光谱实验与理论计算结果之间的一致表明WP2晶体结构的空间反演对称性破缺，支持WP2中存在外尔半金属态。一般而言，晶体结构的特征与其电子性质密切相关，故他们进一步研究了WP2在不同温度和不同磁场下的ac面内电阻率各向异性。低温电输运测量结果表明当温度在100 K–200 K之间，WP2的面内电阻率各向异性表现出较弱的温度依赖，电流分别沿其晶体c轴和a轴的电阻率Rc/Ra的比值约为1.6；但当温度低于100 K时，面内电阻率各向异性陡然增大，在温度为10 K时Rc/Ra ≈ 8.0。进一步的电输运测量表明，对WP2施加垂直于其ac面的磁场，可以调控其面内电阻率各向异性的大小，当磁场达到9 T时，其面内电阻率比值Rc/Ra可增大至约10.6。因此，在载流子浓度为1021cm−3的已知第二类外尔半金属中，WP2呈现出最大的面内电阻率各向异性。为探究WP2面内电阻率各向异性在低温陡增的原因，他们测量了其在低温下的线偏振红外反射光谱（即入射光电场方向分别平行于WP2的a轴和c轴）。红外光谱测量结果表明，随着温度的降低，WP2的载流子浓度和有效质量均表现出较弱的温度依赖，但其ac面内散射率各向异性在温度100 K以下突然增强，且与面内电阻率各向异性随温度变化的情况一致。因金属的电阻率R一般由其载流子浓度n，载流子有效质量m*和散射率τ决定：R = m*/(e2nτ)， 故WP2的低温线偏振光谱结果说明其面内电阻率各向异性在低温的陡然增大来源于其面内散射率各向异性的突然增强。该研究工作为将来利用第二类外尔半金属的电阻率各向异性发展新型电子元器件打下了基础。

该工作得到科技部国家重点研发计划（项目号2017YFA0304700和2016YFA0300600），中国科学院“率先行动”百人计划和国家自然科学基金（项目号51772322）等项目的支持。该研究相关成果已发表在Advanced Materials上（DOI：10.1002/adma.201903498）。