拓扑材料SrSn_2As_2,EuCd_2As_2和铁基超导材料Ba_2Ti_2Fe_2As_4O的ARPES研究
荣丽媛
学位类型博士
导师邰仁忠
2018
学位授予单位中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
关键词角分辨光电子能谱 拓扑绝缘体 拓扑半金属 铁基超导体
摘要角分辨光电子能谱仪(ARPES)在测量电子结构中起着强大的作用,同步辐射光源拓展了 ARPES的能量范围和测量维度,因而在研究当前凝聚态物理中前沿的超导材料和新兴的拓扑材料电子结构中特殊的量子态方面独具优势。在本论文中,我们主要通过同步辐射ARPES实验结合基于密度泛函的第一性原理计算进行了以下几项原始工作:首先,我们通过实验发现了一个新的具有强拓扑绝缘体特性的材料SrSn2As2。我们的理论计算表明此材料处于强拓扑绝缘体、半金属以及常规绝缘体之间的拓扑相变临界点附近。我们在实验上清晰地观测到了体态以及表面态。体态能带具有明确的能带反转特征,证明了该材料具有拓扑非平庸性。该研究成果的意义不仅在于发现了一个新的拓扑绝缘体材料,还为研究拓扑量子相变提供了一种新的材料平台。其次,我们首次发现了磁性材料EuCd2As2具有拓扑非平庸性质。我们的ARPES实验结果显示EuCd2As2电子结构中在费米能附近出现很强的线性分布的狄拉克锥状能带。该能带与提供磁性的Eu 4f局域电子形成的重能带之间发生杂化。在9.5 K以下该材料进入反铁磁有序态,而此时体系的时间反演对称性是破缺的。我们通过理论计算发现在时间反演破缺的前提下依然有拓扑性质存在。当自旋沿面外排列时,能带结构中有狄拉克费米子出现,当自旋沿面内排布时则会出现反铁磁拓扑绝缘体态。而目前还没有非常明确的在时间反演对称性和空间反演对称性的乘积破缺的情况下依然存在狄拉克费米子的报道。因此我们的发现扩展了狄拉克费米子存在的材料种类的范围。此外该材料还是研究RKKY相互作用以及近藤效应与狄拉克费米子之间关联的一种理想的材料体系。最后,我们通过ARPES研究了铁基超导材料Ba2Ti2Fe2As4O。在变温实验中,我们清晰地观测到在温度低于120 K时所有由Ti20层提供的电子态都出现了很强的极化子态,体现在能量分布曲线上为在费米能附近出现“峰-谷-包”状结构,这是极化子的一种特征表现。此材料在之前的输运研究中发现在125 K左右电阻出现异常,但一直未能理解其物理机理。我们的实验成功解释了 125 K附近电阻异常的原因。当进一步对样品降温至低于21 K时,我们成功观测到样品进入超导态,打开了超导能隙。超导电性来源于FeAs层。由于近邻效应,所有Ti20层能带在极化子态的关联峰上也打开了超导能隙。我们的实验发现超导准粒子和极化子是可以相互耦合的,这种耦合对超导可能会起到一定的促进作用。这为研究铁基超导中电声子相互作用提供了一个有价值的平台。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28498
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
荣丽媛. 拓扑材料SrSn_2As_2,EuCd_2As_2和铁基超导材料Ba_2Ti_2Fe_2As_4O的ARPES研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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