电荷密度波导致的轴子绝缘体研究进展

　　由于三维晶体中Weyl（外尔）准粒子是不需要特殊对称性保护的拓扑结构，同时具有特别的表面费米弧和奇特的电输运行为，单粒子图像下的拓扑半金属材料的研究是凝聚态物理中的热点。随后，研究人员又逐步考虑外尔半金属材料中由电子-电子关联效应导致的新物理和新现象。早在2012年，汪忠和张首晟教授提出[1]，在考虑电子-电子之间的相互作用后，手征相反的外尔点发生费米面nesting（嵌套），外尔半金属可以失稳转变到电荷密度波（charge-density wave; CDW）相，同时，它也是一个轴子绝缘体 (axion insulator)，包含拓扑磁电耦合项 θ E·B (E和B分别是电场和磁场)。由于相关材料的匮乏，具有电子关联效应的外尔半金属材料研究进展十分缓慢。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心凝聚态理论与材料计算实验室王志俊特聘研究员与美国普林斯顿大学B. Andrei Bernevig教授，上海科技大学史武军博士，普林斯顿大学Benjamin J. Wieder博士，以及德国哈勒马普微结构物理所Holger L. Meyerheim博士等人合作，通过第一性原理理论计算预言，结合X射线衍射（XRD）和角分辨光电子能谱（ARPES）等实验手段，发现准一维材料(TaSe₄)₂I（见图1）在高温下是Weyl半金属，而在低温下发生电荷密度波相变，从而首次在真实材料中实现由电子关联效应驱动的外尔半金属到轴子绝缘体的转变[2]。

他们通过仔细的计算发现，具有手征对称性的准一维材料(TaSe₄)₂I是一个包含24对Weyl点的外尔半金属。由于缺乏空间反演和镜面对称性，与TaAs等传统的Weyl半金属不同，(TaSe₄)₂I中手性相反的Weyl点可以出现在不同的能量上，可以作为观测量子圆偏光电流效应（quantized circular photogalvanic effect; CPGE）等手征拓扑特性的材料。在该材料中，费米能级以下的净手征电荷为16，这是目前费米能级以下手性电荷总量最大的材料。在CDW相变温度（T_C ~ 248K）以下时，他们在XRD的实验数据中清楚地看到CDW波矢所导致的Bragg点附近的衍射卫星峰（见图1）。手性相反的Weyl点形成的费米面嵌套（Fermi surface nesting）使系统打开能隙，从而发生由外尔半金属到轴子绝缘体的相变。通过电输运测量和角分辨光电子能谱（ARPES）实验证实了金属到绝缘体转变的存在。通过计算电极化率发现，这些新的衍射峰与手性电荷相反的Weyl点之间波矢相关。此外，为了进一步验证磁电耦合项的存在，德国德累斯顿马普固体化物所的合作者们仔细地测量了CDW的集体模式电流J_CDW与B与E之间夹角的关系，实验表明增加的电导与此夹角有近似平方余弦函数的关系，间接地验证了拓扑磁电效应的存在（见图2）[3]。

该研究于2021年1月4日在线发表于Nature Physics杂志上[2]。参与该工作合作研究的单位还包括德国德累斯顿马普固体化物所、德国莱布尼茨研究所、英国牛津大学、清华大学等多个单位。此项工作得到了国家自然科学基金委、材料基因组研究平台和中科院战略性先导科技专项（B类）等的支持。

References:
1. Wang, Z. & Zhang, S.-C. Chiral anomaly, charge density waves, and axion strings from Weyl semimetals. Phys. Rev. B 87, 161107 (2013).
2. Shi, W., Wieder, B.J., Meyerheim, H.L. et al. A charge-density-wave topological semimetal. Nat. Phys. (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01104-z
3. Gooth, J. et al. Axionic charge-density wave in the Weyl semimetal (TaSe₄)₂I. Nature 575, 315–319 (2019).

图1. X射线衍射强度图，显示着由电荷密度波导致的(620)衍射峰附近的小卫星峰。插图为准一维材料(TaSe₄)₂I的晶体结构。

图2. 测量的 Δ(dI/dV)数据与E和B之间夹角存在近似平方余弦函数的关系。