ybi体系的大磁阻研究和拓扑表面态【字数：7187】
无论是在正常还是极端条件下，拓扑材料的超导性都引起科学家们很大的兴趣，它是实现拓扑超导体的候选材料，也是在凝聚态物质中寻找Majorana费米子的平台。最近在稀土中发现的极大的磁电阻（Extremely large magneto-resistance,简写为XMR）开辟了寻找其中拓扑表面态的新途径，尽管普遍的观点认为该体系的大电磁组是载流子补偿效应导致的。在本篇论文中研究了拓扑半金属候选者YBi中的量子振荡和压力诱导的超导电性。虽然磁输运和量子振荡确实揭示了补偿的电荷载流子，但是第一性原理计算清楚地表明其电子结构具有拓扑非平庸的表面态。在施加外部压力时，发现其磁阻降低，在压力到达2.5GPa时，出现超导电性。我们研究发现当超导电性出现时，YBi在低温下的磁电阻依然很大，因此，YBi可能作为研究拓扑表面态与超导电性的代表性材料。
目录
第一章引言 1
1.1 序言 1
1.2 拓扑半金属 2
1.3 复合物YBi 3
第二章实验 4
2.1 实验仪器 4
2.1.1 X射线衍射仪 4
2.1.2 扫描电子显微镜 4
2.2 YBi样品制备和分析 4
2.2.1 合成YBi的单晶样品 4
2.2.2 通过X射线衍射分析晶体的结构 5
2.2.3 电子结构计算 5
第三章实验结果 6
3.1 YBi的XRD表征 6
3.2 YBi的电子特性 9
3.3 三维狄拉克锥结构 11
第四章结论 13
参考文献 14
致谢 17
第一章引言
1.1 序言
1857年，英国物理学家发现材料的电阻与外界磁场有关，外加磁场增加电阻减少，把这种变化称为磁阻（Magnetoresistance,简称MR）。在普通的电磁材料中，磁阻很小，且磁阻与磁场和电流的方向有关。磁阻材料被广泛应用于磁存储、自旋阀、磁传感器、GPS导航等诸多领域。磁性多层膜中巨磁阻效应的发现,使磁存储技术产生了质的飞跃,从而寻找新型磁阻材料一直是凝聚态物理和材料科学的重要研究方向之一。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 拓扑学是十九世纪形成的一门数学分支，它属于几何学。在物理学中，对物质状态分类是物理学家一项重要任务。实验室中发现的新的物态慢慢已经无法用现有的概念分类。在最近几十年，物理学家把拓扑的概念引用到物质分类上，极大的推进了人吗对物理新奇状态的认识和研究。2016年物理学诺贝尔奖颁发给了对拓扑领域做出开创性工作的物理学家，从而进一步激发了物理学家们对拓扑材料研究的热情，拓扑能带也随之不断发展。根据受到对称性保护，材料通过不同拓扑性进行分类，这为传统材料分类提供了新方法和新思路。拓扑绝缘体是第一个被语言出来的拓扑材料并且很快被证实。拓扑能带理论在拓扑绝缘体中取得的成功是人们眼光转向了金属或半金属，以及超导领域。之吼拓扑半金属和拓扑超导体被逐渐证实。拓扑材料能带的主要特征是价带和倒带出现交叉，能量和动量呈线性行为。由于价带和倒带之间带隙不同，固体可以分为金属、半金属和绝缘体。绝缘体的价带和倒带之间带隙较大：半导体带隙比绝缘体带隙小，所以可以通过热激发和外场使电子从价带跃迁到倒带；金属则具有部分填满的导带，费米面附近态度密度较大，因此金属才会具有良好的导电性；半金属价带和倒带之间带隙很小，费米面附近电子态密度基本上可以忽略不计，在热激发下，价带和导带会产生低浓度的空穴和电子，载流子浓度通常较低，所以半金属也拥有一定的导电性。“拓扑”一词来源于拓扑学，为了区别普通材料，拓扑的概念被引用到凝聚态物理中。拓扑不变量是描述拓扑特征的重要参量，其指的是在两个同构拓扑空间中相同的本征属性。例如将一个连通的拓扑空间通过一系列的选择、移动、缩放等操作后这个拓扑空间仍然是连通的，这说明这些操作并未改变此拓扑的拓扑性，因而拓扑连通性可以认为是此拓扑空间的一个拓扑不变量。
1.2 拓扑半金属
拓扑材料由于其独特的性质而引起广泛的关注。在已经发现的拓扑材料中，包括拓扑绝缘体和拓扑半金属两大类，拓扑绝缘体的体态是绝缘的，表面却是导电的，由于电子自旋轨道的作用和时间反演对称性的保护，在拓扑绝缘体的表面上存在没有耗散的载流子。拓扑半金属是一种新型的拓扑材料，拓扑半金属根据其电子能带结构分为狄拉克半金属、外尔半金属和节线半金属等。其中拓扑半金属材料是近年来凝聚态物理最前沿的研究热点之一。 拓扑半金属材料的能带奇点上有特殊的线性色散，所以其往往会出现新奇的物理性质。如非常高的载流子迁移率（Ultrahigh mobility），表面态的费米弧（Fermi arcs），极大的磁电阻（Extremely large magnetoresistance, 简写为XMR）等。这些超凡的性质在低功耗输运材料、磁敏感器件等领域存在巨大的应用潜力。另外，在拓扑半金属中实现拓扑超导是一种实验上可能获得Majorana费米子的重要途径，并可以在此基础上推进当前研究的另一个热点问题，即量子计算机。因此，拓扑半金属材料的研究对多个研究领域都具有重要的意义，探索新型的拓扑半金属材料是当前很多研究者关注的焦点。在非磁性半金属中发现了极大的磁阻（XMR），这激发了人们对理解其潜在物理机制并探索其在电子学中的应用的巨大兴趣。在这种大磁阻的所有候选机制中，有两种情况可以说是对这些新现象最普遍的解释：一种情况认为拓扑状态禁止电子的背散射在磁场中受到保护，从而响应于场而将其电阻率增加几个数量级。在狄拉克半金属Na3Bi,Cd3As2，ZrTe5 外尔半金属TaAs和拓扑结节线半金属PtSn4,PdSn4中的极大磁阻与之类似。第二种解释是将非饱和极大的磁阻完全归因于完美电子空穴补偿的图像，而没有调用拓扑上的非平凡状态。
超导性可以通过化学掺杂或外部压力在拓扑非平凡材料中进行调整。因此，以这种方式实现的超导体被认为是拓扑超导的强有力候选者，其中Majorana费米子存在于边缘或涡旋中心。操纵Majorana费米子的方法可能为未来的量子计算提供基础。迄今为止，只有在准一维拓扑绝缘体βBi4I4，拓扑绝缘体Bi2Te3，狄拉克半金属HfTe5和外尔半金属WTe2中可以观察到压力诱导的超导性。令人惊讶的是，这些拓扑半金属中的压力诱导超导通常伴随着对大磁阻的强烈抑制或完全破坏，这引起了人们对大磁阻与超导性之间的拮抗相互作用的质疑。
1.3 化合物YBi
在本文中报道了大磁阻化合物YBi中的高场量子振荡和压力诱导超导性。磁传输和量子振荡表明这种材料拥有几乎完美的电子空穴补偿。可以从第一性原理计算中进一步揭示其中的拓扑非平凡表面状态。引人注目的是，当样品压力大于等于2.5GPa，样品表现出去超导性（Tc ≈5K）。与其他大磁阻半金属相比，YBi超导性仅在大磁阻被严重抑制时才会出现，其超导性与大磁阻共存于YBi的相图。因此，YBi可能提供一个稀有的平台来研究大磁阻、拓扑结构和超导性之间的关系。
目录
第一章引言 1
1.1 序言 1
1.2 拓扑半金属 2
1.3 复合物YBi 3
第二章实验 4
2.1 实验仪器 4
2.1.1 X射线衍射仪 4
2.1.2 扫描电子显微镜 4
2.2 YBi样品制备和分析 4
2.2.1 合成YBi的单晶样品 4
2.2.2 通过X射线衍射分析晶体的结构 5
2.2.3 电子结构计算 5
第三章实验结果 6
3.1 YBi的XRD表征 6
3.2 YBi的电子特性 9
3.3 三维狄拉克锥结构 11
第四章结论 13
参考文献 14
致谢 17
第一章引言
1.1 序言
1857年，英国物理学家发现材料的电阻与外界磁场有关，外加磁场增加电阻减少，把这种变化称为磁阻（Magnetoresistance,简称MR）。在普通的电磁材料中，磁阻很小，且磁阻与磁场和电流的方向有关。磁阻材料被广泛应用于磁存储、自旋阀、磁传感器、GPS导航等诸多领域。磁性多层膜中巨磁阻效应的发现,使磁存储技术产生了质的飞跃,从而寻找新型磁阻材料一直是凝聚态物理和材料科学的重要研究方向之一。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 拓扑学是十九世纪形成的一门数学分支，它属于几何学。在物理学中，对物质状态分类是物理学家一项重要任务。实验室中发现的新的物态慢慢已经无法用现有的概念分类。在最近几十年，物理学家把拓扑的概念引用到物质分类上，极大的推进了人吗对物理新奇状态的认识和研究。2016年物理学诺贝尔奖颁发给了对拓扑领域做出开创性工作的物理学家，从而进一步激发了物理学家们对拓扑材料研究的热情，拓扑能带也随之不断发展。根据受到对称性保护，材料通过不同拓扑性进行分类，这为传统材料分类提供了新方法和新思路。拓扑绝缘体是第一个被语言出来的拓扑材料并且很快被证实。拓扑能带理论在拓扑绝缘体中取得的成功是人们眼光转向了金属或半金属，以及超导领域。之吼拓扑半金属和拓扑超导体被逐渐证实。拓扑材料能带的主要特征是价带和倒带出现交叉，能量和动量呈线性行为。由于价带和倒带之间带隙不同，固体可以分为金属、半金属和绝缘体。绝缘体的价带和倒带之间带隙较大：半导体带隙比绝缘体带隙小，所以可以通过热激发和外场使电子从价带跃迁到倒带；金属则具有部分填满的导带，费米面附近态度密度较大，因此金属才会具有良好的导电性；半金属价带和倒带之间带隙很小，费米面附近电子态密度基本上可以忽略不计，在热激发下，价带和导带会产生低浓度的空穴和电子，载流子浓度通常较低，所以半金属也拥有一定的导电性。“拓扑”一词来源于拓扑学，为了区别普通材料，拓扑的概念被引用到凝聚态物理中。拓扑不变量是描述拓扑特征的重要参量，其指的是在两个同构拓扑空间中相同的本征属性。例如将一个连通的拓扑空间通过一系列的选择、移动、缩放等操作后这个拓扑空间仍然是连通的，这说明这些操作并未改变此拓扑的拓扑性，因而拓扑连通性可以认为是此拓扑空间的一个拓扑不变量。
1.2 拓扑半金属
拓扑材料由于其独特的性质而引起广泛的关注。在已经发现的拓扑材料中，包括拓扑绝缘体和拓扑半金属两大类，拓扑绝缘体的体态是绝缘的，表面却是导电的，由于电子自旋轨道的作用和时间反演对称性的保护，在拓扑绝缘体的表面上存在没有耗散的载流子。拓扑半金属是一种新型的拓扑材料，拓扑半金属根据其电子能带结构分为狄拉克半金属、外尔半金属和节线半金属等。其中拓扑半金属材料是近年来凝聚态物理最前沿的研究热点之一。 拓扑半金属材料的能带奇点上有特殊的线性色散，所以其往往会出现新奇的物理性质。如非常高的载流子迁移率（Ultrahigh mobility），表面态的费米弧（Fermi arcs），极大的磁电阻（Extremely large magnetoresistance, 简写为XMR）等。这些超凡的性质在低功耗输运材料、磁敏感器件等领域存在巨大的应用潜力。另外，在拓扑半金属中实现拓扑超导是一种实验上可能获得Majorana费米子的重要途径，并可以在此基础上推进当前研究的另一个热点问题，即量子计算机。因此，拓扑半金属材料的研究对多个研究领域都具有重要的意义，探索新型的拓扑半金属材料是当前很多研究者关注的焦点。在非磁性半金属中发现了极大的磁阻（XMR），这激发了人们对理解其潜在物理机制并探索其在电子学中的应用的巨大兴趣。在这种大磁阻的所有候选机制中，有两种情况可以说是对这些新现象最普遍的解释：一种情况认为拓扑状态禁止电子的背散射在磁场中受到保护，从而响应于场而将其电阻率增加几个数量级。在狄拉克半金属Na3Bi,Cd3As2，ZrTe5 外尔半金属TaAs和拓扑结节线半金属PtSn4,PdSn4中的极大磁阻与之类似。第二种解释是将非饱和极大的磁阻完全归因于完美电子空穴补偿的图像，而没有调用拓扑上的非平凡状态。
超导性可以通过化学掺杂或外部压力在拓扑非平凡材料中进行调整。因此，以这种方式实现的超导体被认为是拓扑超导的强有力候选者，其中Majorana费米子存在于边缘或涡旋中心。操纵Majorana费米子的方法可能为未来的量子计算提供基础。迄今为止，只有在准一维拓扑绝缘体βBi4I4，拓扑绝缘体Bi2Te3，狄拉克半金属HfTe5和外尔半金属WTe2中可以观察到压力诱导的超导性。令人惊讶的是，这些拓扑半金属中的压力诱导超导通常伴随着对大磁阻的强烈抑制或完全破坏，这引起了人们对大磁阻与超导性之间的拮抗相互作用的质疑。
1.3 化合物YBi
在本文中报道了大磁阻化合物YBi中的高场量子振荡和压力诱导超导性。磁传输和量子振荡表明这种材料拥有几乎完美的电子空穴补偿。可以从第一性原理计算中进一步揭示其中的拓扑非平凡表面状态。引人注目的是，当样品压力大于等于2.5GPa，样品表现出去超导性（Tc ≈5K）。与其他大磁阻半金属相比，YBi超导性仅在大磁阻被严重抑制时才会出现，其超导性与大磁阻共存于YBi的相图。因此，YBi可能提供一个稀有的平台来研究大磁阻、拓扑结构和超导性之间的关系。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/qcgc/409.html
