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中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研究員楊昭榮與南京大學教授孫建、萬賢綱以及北京高壓科學研究中心研究員楊文革等組成的合作研究團隊，在拓撲外爾半金屬材料TaAs的量子序調(diào)控研究中取得新進展，相關(guān)結(jié)果以Pressure-Induced New Topological Weyl Semimetal Phase in TaAs 為題，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letter）雜志上。
伴隨著拓撲絕緣體的發(fā)現(xiàn)，材料的拓撲特性以及新奇量子效應(yīng)在過去的十年里受到了廣泛的關(guān)注和研究，拓撲電子材料家族也從zui初的拓撲絕緣體逐漸擴展到狄拉克半金屬和外爾半金屬等。外爾半金屬具有表面態(tài)費米弧、手性反常導致的負磁阻等新奇物理性質(zhì)，在低能耗電子器件、量子計算等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。2015年，非中心對稱的TaAs家族被理論預(yù)言并成為*實驗證實的外爾半金屬體系，這類材料常壓下為四方結(jié)構(gòu)，其三維布里淵區(qū)內(nèi)有24個外爾點，它們處在兩個不同能級之上。壓力作為一種潔凈的維度，直接作用于晶格自由度，是調(diào)節(jié)量子相變、誘導新物態(tài)的一個直接途徑。因而，壓力下材料的拓撲特性如何演化不但有助于外爾半金屬物理本質(zhì)的研究，同時也將為設(shè)計新的拓撲電子材料提供新思路。
研究團隊通過理論分析并結(jié)合高壓下的電輸運測量和同步輻射X射線衍射等實驗手段，對TaAs單晶高壓下的物理行為進行了詳細研究(壓力zui高達到54GPa)。理論預(yù)測和實驗測量結(jié)果一致表明，TaAs常壓四方I41md結(jié)構(gòu)中處在兩個不同能級上的24個外爾點在低壓區(qū)可以穩(wěn)定存在。當壓力超過14GPa后，新的高壓六方相P-6m2出現(xiàn)。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，該高壓六方相屬于一類新型拓撲半金屬，它只擁有12個外爾點并位于相同能級之上，因而相比于常壓相而言能帶結(jié)構(gòu)更為簡單。卸壓同步輻射X射線衍射實驗結(jié)果證實了這個新型拓撲半金屬相可以穩(wěn)定保留至常壓，這為以后在常壓下進一步研究這個新型外爾半金屬相提供了可能。
高壓下的電輸運測量部分實驗在強磁場中心的高壓-強磁場-低溫綜合測量系統(tǒng)上完成。強磁場中心助理研究員周永惠、南京大學博士生陸鵬超和杜永平、強磁場中心副研究員朱相德為該文共同*作者，上述研究成果得到了國家自然科學基金、“973”計劃等項目的資助。該工作合作單位還包括中科院合肥研究院固體物理研究所、美國阿貢國家實驗室以及南京大學協(xié)同創(chuàng)新中心。
圖：(a) TaAs晶體高壓下各種可能結(jié)構(gòu)相的焓值計算；(b)結(jié)構(gòu)預(yù)測的TaAs晶胞體積-壓力關(guān)系曲線；(c) TaAs高壓六方相P-6m2*布里淵區(qū)的外爾點分布示意圖；(d) TaAs單晶中絕緣-金屬轉(zhuǎn)變溫度TM-I，1.8K和300K電阻隨壓力變化的曲線；(e) TaAs單晶不同壓力下的等溫(4.5K)磁阻曲線，其中，虛線代表線性擬合結(jié)果，箭頭代表偏離線性行為的特征磁場。
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