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中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心研究員楊昭榮與南京大學(xué)教授孫建、萬賢綱以及北京高壓科學(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(xué)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(xué)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(xué)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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