二维ptse2单晶的量子震荡行为研究【字数：10339】
摘 要 二维拓扑半金属具有类似于无质量相对论性狄拉克（Dirac）费米子的准粒子态，这是一种在自然界中从未被观测到的难以捉摸的粒子。当它们在固体中出现时，其不会受到时空对称性的约束，因此就出现了一种明显违反洛伦兹不变性的新型费米子激发，即所谓的II型Dirac费米子。本文在高达65T的磁场中进行了量子震荡的测量，研究了过渡金属双硫族化合物（transition-metal dichalcogenides, TMD）PtSe2的电子能谱，发现观测到的费米面与能带结构计算的预期恰好吻合。最近，利用能带结构计算法预测到在此类材料中会出现II型Dirac点。费米能级上，空穴和类电子的费米面会影响半金属，准粒子的质量在空带质量值上明显增强，这可能是声子重正化作用的结果。本文的工作与PtSe2中II型Dirac点的存在是一致的，但是Dirac点远低于费米能级，无法支持自由的Dirac费米激发。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 拓扑材料介绍 1
1.2 拓扑材料发展概况 3
1.3 本论文研究目的、意义和安排 4
1.4 参考文献 4
第二章 材料的制备与表征介绍 6
2.1 样品的制备与处理 6
2.1.1 化学气相沉积法 6
2.2 样品结构表征 7
2.2.1 x射线衍射分析 7
2.2.2 扫描电子显微分析 8
2.3 基本的测物量 9
2.3.1 磁学性能表征 9
2.3.2 磁电阻测量 9
第三章 二维PtSe2单晶的量子震荡行为研究 11
3.1 引言 11
3.2 实验方法 12
3.3 实验结果及讨论 13
3.4 总结 16
3.5 参考文献 17
第四章总结与展望 19
致 谢 20
第一章 绪论
1.1 拓扑材料简介
过去的数十年间，拓扑材料的研究得到了蓬勃地发展，物理学界相继提出了多种不同类型的拓扑材料，此类材料现已如百花争艳般不断兴起。拓扑材料作为一种横跨众多领域的新材料，未来不可限量，将在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
新型电子器件、超导体以及量子计算机研发中得到应用。
我们都知道，按照导电性质的不同，固体材料可分为“金属”和“绝缘体”两大类。无独有偶，按照材料电子态拓扑性质的不同，也即能带结构理论，目前关于拓扑材料的研究也类似可分为“拓扑绝缘体”和“拓扑半金属”两大类[1]。
图1.1金属、绝缘体和拓扑绝缘体的关系
拓扑绝缘体是最近几年量子物理学中发现的一种有别于固有传统的新物态，成为现今全球各大研究所的研究热点，掀起了巨大的研究热潮。它区别于我们认知中的其他普通绝缘体，其内部是一种绝缘态，而在它的边界或表面则存在着稳定的导电能力，这就是它与普通绝缘体本质上的区别[2]。拓扑绝缘体的另一特质是可以实现信息的传递，这是因为边界上的导电电子在能级上具有不同的自旋方向，而通过电子相反的自旋使得信息传递得以完成。因为无需电荷的介入，也几乎没有能量耗散，所以此类材料通常不会发热。这一发现给人们对未来制造新型电脑芯片等元器件带来了希望。
拓扑绝缘体与普通绝缘体在边界或表面可以表现出完全不一样的量子物性，无独有偶，也可能会存在一种与普通金属具有完全不同量子物性的特殊金属。经过科学们的不懈努力，终于发现了此类特性的金属，科学家们谓之为拓扑半金属。
拓扑半金属的能带结构是比较特殊的，这一特殊性表现在其带结构中会存在交叉点，而这种能带交叉点又能够恰好坐落在费米面上[3]。当其费米面缩小为一个点，也就是费米点时，其能隙变为0，这就形成了线性色散。在三维空间中，因为无法通过引入质量项的方式来打开半金属的能隙，所以此类能带交叉点就会形成一种非常稳定的拓扑结构，这样就形成了所谓的外尔（Weyl）点。如若详细考查该Weyl点，就会发现存在着两类完全不同的Weyl点，它们在拓扑结构上是不同的，有左手旋和右手旋之分。为了使用上的方便，我们可以用汉密尔顿（Hamilton）量中的“±”分别对应于左手旋和右手旋的Weyl点来进行区分和描述。在动量空间中，当一个左手旋和一个右手旋的Weyl点发生重叠时，两个相反的Weyl点就会形成4重交叉点，这样的4重交叉点称为三维Dirac点。因为可以引入质量项，晶体的对称性决定了三维Dirac点存在的可能性。这样的Weyl/Dirac点在绝大多数的金属材料中是普遍存在的，但这些Weyl/Dirac点一般都会远离费米面，只有在极少数的金属材料中才会刚好落在费米面上。如果这样的Weyl/Dirac点一旦分毫不差地落在了费米面上，就会形成一类非常特殊的电子结构，宏观上此类拓扑半金属就会表现出其特有的物性。
图1.2 拓扑半金属的典型结构
目前电子器件的主要充电方式是电流经导线和电路进入器件而把电能存贮起来。然而，相较于Weyl费米子，电子不仅更加“笨重”，而且控制起来有一定难度。更糟糕的是，电子在导线中移动时还会因阻值而导致能量的大量流失。如果我们用Weyl费米子将之替换掉，上述出现的问题就可迎刃而解，并且能保证简洁而准确地完成充电方式所要求的高功率计算。
1.2 拓扑材料发展概况
20多年前发现的量子霍尔效应是迄今最早发现的完整拓扑绝缘体态。1985年和1998年两度诺贝尔物理学奖都是有关量子霍尔效应的理论，开创了凝聚态物理学的一个新时代。
从理论上分析，拓扑绝缘体是一种比较特殊的拓扑态，而这种拓扑态的特殊性在于其受电荷对称性和时间反演对称性的保护。然而人们已经意识到，其他的对称性也可以保护类似的拓扑绝缘体。目前，量子物理学已经对玻色子系统中的对称保护拓扑态（symmetry protected topological states）进行了较为详细的分类，但是对于存在强相互作用的费米子系统，对称保护拓扑态的分类还没有实现[4]。
图1.3 拓扑绝缘体的边缘态
中国科学院物理研究的科研团队在“拓扑绝缘体”和“量子反常霍尔效应”上取得重大突破，并首次成功在实验中发现了具有“手性”电子态的Weyl费米子。这是凝聚态物理学研究领域的一项举世瞩目的突破，对“量子计算机”和“拓扑电子学”等前沿技术的突破具有战略性意义。而该发现从理论预言到实验观测，都是由我国科学家自主独立完成。
上世纪20年代后期，德国科学家H. Weyl提出线性色散电子可以分为左旋和右旋两种不同方向的电子，这就是如今广为人知的“手性”Weyl费米子。理论与现实存在时间上的差距，由于各方面的因素，人们一直没能在现实中真正观测到理论存在的Weyl费米子。近年来，在拓扑材料的蓬勃发展中，Weyl费米子的成功出现和精确观测成为了可能。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 拓扑材料介绍 1
1.2 拓扑材料发展概况 3
1.3 本论文研究目的、意义和安排 4
1.4 参考文献 4
第二章 材料的制备与表征介绍 6
2.1 样品的制备与处理 6
2.1.1 化学气相沉积法 6
2.2 样品结构表征 7
2.2.1 x射线衍射分析 7
2.2.2 扫描电子显微分析 8
2.3 基本的测物量 9
2.3.1 磁学性能表征 9
2.3.2 磁电阻测量 9
第三章 二维PtSe2单晶的量子震荡行为研究 11
3.1 引言 11
3.2 实验方法 12
3.3 实验结果及讨论 13
3.4 总结 16
3.5 参考文献 17
第四章总结与展望 19
致 谢 20
第一章 绪论
1.1 拓扑材料简介
过去的数十年间，拓扑材料的研究得到了蓬勃地发展，物理学界相继提出了多种不同类型的拓扑材料，此类材料现已如百花争艳般不断兴起。拓扑材料作为一种横跨众多领域的新材料，未来不可限量，将在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
新型电子器件、超导体以及量子计算机研发中得到应用。
我们都知道，按照导电性质的不同，固体材料可分为“金属”和“绝缘体”两大类。无独有偶，按照材料电子态拓扑性质的不同，也即能带结构理论，目前关于拓扑材料的研究也类似可分为“拓扑绝缘体”和“拓扑半金属”两大类[1]。
图1.1金属、绝缘体和拓扑绝缘体的关系
拓扑绝缘体是最近几年量子物理学中发现的一种有别于固有传统的新物态，成为现今全球各大研究所的研究热点，掀起了巨大的研究热潮。它区别于我们认知中的其他普通绝缘体，其内部是一种绝缘态，而在它的边界或表面则存在着稳定的导电能力，这就是它与普通绝缘体本质上的区别[2]。拓扑绝缘体的另一特质是可以实现信息的传递，这是因为边界上的导电电子在能级上具有不同的自旋方向，而通过电子相反的自旋使得信息传递得以完成。因为无需电荷的介入，也几乎没有能量耗散，所以此类材料通常不会发热。这一发现给人们对未来制造新型电脑芯片等元器件带来了希望。
拓扑绝缘体与普通绝缘体在边界或表面可以表现出完全不一样的量子物性，无独有偶，也可能会存在一种与普通金属具有完全不同量子物性的特殊金属。经过科学们的不懈努力，终于发现了此类特性的金属，科学家们谓之为拓扑半金属。
拓扑半金属的能带结构是比较特殊的，这一特殊性表现在其带结构中会存在交叉点，而这种能带交叉点又能够恰好坐落在费米面上[3]。当其费米面缩小为一个点，也就是费米点时，其能隙变为0，这就形成了线性色散。在三维空间中，因为无法通过引入质量项的方式来打开半金属的能隙，所以此类能带交叉点就会形成一种非常稳定的拓扑结构，这样就形成了所谓的外尔（Weyl）点。如若详细考查该Weyl点，就会发现存在着两类完全不同的Weyl点，它们在拓扑结构上是不同的，有左手旋和右手旋之分。为了使用上的方便，我们可以用汉密尔顿（Hamilton）量中的“±”分别对应于左手旋和右手旋的Weyl点来进行区分和描述。在动量空间中，当一个左手旋和一个右手旋的Weyl点发生重叠时，两个相反的Weyl点就会形成4重交叉点，这样的4重交叉点称为三维Dirac点。因为可以引入质量项，晶体的对称性决定了三维Dirac点存在的可能性。这样的Weyl/Dirac点在绝大多数的金属材料中是普遍存在的，但这些Weyl/Dirac点一般都会远离费米面，只有在极少数的金属材料中才会刚好落在费米面上。如果这样的Weyl/Dirac点一旦分毫不差地落在了费米面上，就会形成一类非常特殊的电子结构，宏观上此类拓扑半金属就会表现出其特有的物性。
图1.2 拓扑半金属的典型结构
目前电子器件的主要充电方式是电流经导线和电路进入器件而把电能存贮起来。然而，相较于Weyl费米子，电子不仅更加“笨重”，而且控制起来有一定难度。更糟糕的是，电子在导线中移动时还会因阻值而导致能量的大量流失。如果我们用Weyl费米子将之替换掉，上述出现的问题就可迎刃而解，并且能保证简洁而准确地完成充电方式所要求的高功率计算。
1.2 拓扑材料发展概况
20多年前发现的量子霍尔效应是迄今最早发现的完整拓扑绝缘体态。1985年和1998年两度诺贝尔物理学奖都是有关量子霍尔效应的理论，开创了凝聚态物理学的一个新时代。
从理论上分析，拓扑绝缘体是一种比较特殊的拓扑态，而这种拓扑态的特殊性在于其受电荷对称性和时间反演对称性的保护。然而人们已经意识到，其他的对称性也可以保护类似的拓扑绝缘体。目前，量子物理学已经对玻色子系统中的对称保护拓扑态（symmetry protected topological states）进行了较为详细的分类，但是对于存在强相互作用的费米子系统，对称保护拓扑态的分类还没有实现[4]。
图1.3 拓扑绝缘体的边缘态
中国科学院物理研究的科研团队在“拓扑绝缘体”和“量子反常霍尔效应”上取得重大突破，并首次成功在实验中发现了具有“手性”电子态的Weyl费米子。这是凝聚态物理学研究领域的一项举世瞩目的突破，对“量子计算机”和“拓扑电子学”等前沿技术的突破具有战略性意义。而该发现从理论预言到实验观测，都是由我国科学家自主独立完成。
上世纪20年代后期，德国科学家H. Weyl提出线性色散电子可以分为左旋和右旋两种不同方向的电子，这就是如今广为人知的“手性”Weyl费米子。理论与现实存在时间上的差距，由于各方面的因素，人们一直没能在现实中真正观测到理论存在的Weyl费米子。近年来，在拓扑材料的蓬勃发展中，Weyl费米子的成功出现和精确观测成为了可能。
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