首次发现三维狄拉克准金属向二维外尔准金属相变现象
包括庆熙大学在内9家研究机构国际联合研究成果发表于国际学术期刊
Kyung Hee University（校长 Han Gyuntae）应用物理学系教授 Choi Seokho 研究团队发现，通过改变厚度，可以使作为拓扑准金属（topological semimetal）的三维狄拉克准金属（Dirac semimetal）发生相变（phase transition），转变为二维外尔准金属（Weyl semimetal），并在全球范围内首次通过实验实现了二维外尔准金属。本次研究成果已于上月31日发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子19.00）上，同时已申请国内外专利。
三维拓扑准金属在理论和实验上都已有大量研究结果。然而，关于二维拓扑准金属（包括狄拉克和外尔准金属），目前仍仅停留在理论预测层面，而且即便如此，学界观点也并不统一，实际上尚未在理论上完全确立。Choi 教授研究团队通过本次研究，首次在实验上实现了二维外尔准金属。由于其新颖物性及在新型器件上的应用潜力，二维外尔准金属一直是全球关注的焦点，本次研究以简便方法实现了这种物质，被评价为大幅提升了该物质在器件领域的应用可能性。
通常区分金属与半导体要依赖“能带（energy band）”结构。能带由“导带（conduction band）”和“价带（valence band）”构成，两者之间存在“能隙”，使两带彼此分离。对于绝缘体而言，价带中电子完全填满，电子无法运动；相反，导带则完全空无一电子。对于导体，价带中同样充满电子，但导带中也有部分电子，这些电子就是自由电子。金属中始终存在作为电荷载流子的自由电子，它们的运动过程就是电流流动的过程。
准金属是指通过调节，使导带和价带在某一点被挤压到一起的物质。如果完全消除能隙，则成为金属；而如果只有在能带中若干离散点上能隙消失，则成为狄拉克准金属。半导体具有介于金属和绝缘体之间的性质，只有在从外部（热、光、电子束等）获得足以跨越能隙的能量时，才会产生自由电子和自由空穴，从而导通电流。作为二维材料的石墨烯同金属一样不存在能隙，因此始终存在自由电子，电流易于流动。但与金属不同的是，石墨烯中也存在自由空穴，因此通常被称为准金属。
拓扑是表征对象属性的一种强有力特性。鸡蛋和足球都属于具有相同拓扑特性的“无孔三维物体”；戒指或甜甜圈则具有“带有一个孔”的拓扑。科学家据此发现，传统的物质分类并不完备，还存在具有拓扑不变量特殊取值的“拓扑相”这一类额外状态。根据不同的拓扑相，人们进一步认识到还存在诸如拓扑准金属等此前未知的新型拓扑物质。可以将拓扑准金属视为与二维石墨烯准金属相对应的三维准金属。至于二维拓扑准金属，目前仍鲜有定论。
由于晶体对称性等因素，可能存在多种类型的拓扑准金属，其中具有代表性的是狄拉克准金属和外尔准金属。晶体结构的对称性包括“空间反演对称性（inversion symmetry）”和“时间反演对称性（time reversal symmetry）”。当这两种对称性都被保持时，形成狄拉克准金属；当其中一种对称性被破缺时，则形成外尔准金属。外尔准金属是一种新型金属。通常物质中的电子具有质量，而外尔准金属中的电子则像无质量粒子一样运动，对磁场强度和方向极为敏感，是一种量子物质。
若能充分利用外尔准金属，有望大幅提升用于智能手机和磁共振成像（MRI）设备等多种领域的磁测量传感器的精度。除此之外，拓扑物质还可应用于热电与流体力学、催化、太阳能发电、圆偏振光致电流效应、数据存储等领域，并有望用于量子计算机。
在单晶固体内部，原子以周期性方式排布。原子内部的电子围绕原子核沿轨道（orbital）运动。描述电子在原子内占据何种轨道的，就是量子力学中所说的波函数（wave function）。在周期性晶格结构中，波函数的波数（wave number）或动量（momentum）也具有周期性。动量发生变化时，波函数发生缠绕的方式决定了物质的拓扑性质。
在普通物质中，波函数并不具有特殊的缠绕结构。但在拓扑物质中，波函数在动量空间中像莫比乌斯带一样发生缠绕。简单来说，如果波函数在动量空间绕行一周回到原点时呈缠绕状态，那么该物质就是拓扑物质；否则就是普通物质。只要不将带子撕裂，莫比乌斯带就无法变成普通的环带。同样，只要物质的化学结构不发生改变，拓扑物质的电子结构也会保持不变，即拓扑物质具有极高的稳定性。
对于二维拓扑准金属，其物性尚未得到明确确立。在实验层面，目前仅有部分论文报道了作为拓扑准金属一类的交点线准金属（nodal-line semimetal）。从器件应用角度看，相比二维材料，三维材料在应用上必然存在局限。此外，对于交点线准金属而言，通常是通过在单晶金属基底表面外延沉积原子层，只在表面层形成准金属，这种结构下难以将准金属部分单独分离出来，因此在器件开发等实用化方面存在限制。
本次研究意味着已经能够真正制备出二维拓扑准金属。因此，基于二维拓扑准金属纳米结构的下一代新型器件开发中，研究者可以更加灵活地利用拓扑物质。研究团队利用分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）方法，将作为狄拉克准金属的 Bi0.96Sb0.04 薄膜厚度在2至300纳米范围内进行调节。为揭示随厚度变化而产生的拓扑特性变化，研究团队采用了磁阻、二次谐波散射、拉曼光谱、加速器X射线衍射、太赫兹辐射、霍尔效应、热电效应等多种实验技术。
结果显示，当厚度以10纳米为分界点进一步变薄时，首次观测到从三维狄拉克准金属向二维外尔准金属发生相变的现象。研究团队还阐明了该相变机制：随着厚度变薄进入二维区域，由于衬底与薄膜之间的晶格失配产生强应变，从而破坏了空间反演对称性，进而形成二维外尔准金属状态。
Choi 教授表示：“本研究首次揭示了外尔准金属的二维状态，预计相关制备将变得更加活跃。相比三维材料，更适合用于器件制备的二维拓扑准金属有望被用于开发各种形式的纳米尺度新型器件。这一成果为近年来作为石墨烯后续新材料而被广泛研究的拓扑准金属等拓扑物质，从单纯学术研究迈向器件应用阶段奠定了基础。特别是，本次成果有望在深化尚未完全揭示物性的拓扑物质基础研究的同时，推动其在器件应用研究方面的进展。”
本研究在科学技术信息通信部和韩国研究财团推进的中坚研究项目资助下，以国际联合研究形式开展。包括 Kyung Hee University 的 Choi 教授、研究教授 Jeong Chanuk、研究博士 Kim Jinhee、硕士研究生 Jeong Taejin、教授 Kim Seong、教授 Lee Jongsu 在内，大邱大学、蔚山大学、光州科学技术院、浦项工科大学、西江大学、韩国原子能研究院、澳大利亚国立大学（Australian National University，ANU）、澳大利亚伍伦贡大学（University of Wollongong）等9家研究机构的教授、学生及研究人员共同参与了本研究。
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