探索第二类外尔半金属材料并研究其中奇异物性是目前拓扑量子物理研究中受到广泛关注的领域之一。理论预言二磷化钨WP2是第二类外尔半金属。因为WP2中磷原子和过渡族金属钨原子之间较大的电荷密度分布差异导致其晶体结构的对称性难以通过X射线衍射来直接确定，所以作为WP2第二类外尔半金属态出现的前提条件之一的空间反演对称性破缺有待实验进一步证实。此外，WP2的晶体ac面内电阻率的各向异性随温度的变化还未被实验研究，并且其晶体ac面内电阻率的各向异性能否被磁场调控尚不清楚。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX1组谌志国特聘研究员指导博士生苏博、联培硕士生侯延辉与合作者开展了WP2的空间反演对称性和其ac面内电阻率各向异性的研究。他们利用转角线偏振拉曼光谱测得WP2中拉曼活性声子的能量（请见图1a和图1b）以及声子峰强与晶体a轴和入射光电场方向之间夹角的关系（请见图1c和图1d）均与第一性原理计算其空间反演对称性破缺的晶体结构（空间群Cmc21）得到的结果一致。拉曼光谱实验与理论计算结果之间的一致表明WP2晶体结构的空间反演对称性破缺，支持WP2中存在外尔半金属态。一般而言，晶体结构的特征与其电子性质密切相关，故他们进一步研究了WP2在不同温度和不同磁场下的ac面内电阻率各向异性。低温电输运测量结果表明当温度在100 K – 200 K之间，WP2的面内电阻率各向异性表现出较弱的温度依赖，电流分别沿其晶体c轴和a轴的电阻率Rc/Ra的比值约为1.6；但当温度低于100 K时，面内电阻率各向异性陡然增大，在温度为10 K时Rc/Ra ≈ 8.0（请见图2b）。进一步的电输运测量表明，对WP2施加垂直于其ac面的磁场，可以调控其面内电阻率各向异性的大小，当磁场达到9 T时，其面内电阻率比值Rc/Ra可增大至约10.6（请见图2c）。因此，在载流子浓度为1021 cm-3的已知第二类外尔半金属（如MoTe2和TaIrTe4）中，WP2呈现出最大的面内电阻率各向异性。为探究WP2面内电阻率各向异性在低温陡增的原因，他们测量了其在低温下的线偏振红外反射光谱（即入射光电场方向分别平行于WP2的a轴和c轴，请见线偏振反射光谱于图3a）。红外光谱测量结果表明，随着温度的降低，WP2的载流子浓度和有效质量均表现出较弱的温度依赖（请见图3d），但其ac面内散射率各向异性在温度100 K以下突然增强，且与面内电阻率各向异性随温度变化的情况一致（请见图2b和图3f）。因金属的电阻率R一般由其载流子浓度n，载流子有效质量m*和散射率τ决定：R = m*/(e2nτ)， 故WP2的低温线偏振光谱结果说明其面内电阻率各向异性在低温的陡然增大来源于其面内散射率各向异性的突然增强。以上研究工作为将来利用第二类外尔半金属的电阻率各向异性发展新型电子元器件打下了基础。
该工作得到科技部国家重点研发计划（2017YFA0304700，2016YFA0300600），国家自然科学基金（51772322）等项目的支持。参与该工作的研究人员还包括：物理所雒建林研究员、郭建刚特聘研究员、杨洋副主任工程师、天津理工大学马永昌副教授、西南科技大学赵建洲博士、物理所博士生宋艳鹏和陈旭。相关成果发表在Advanced Materials【Bo Su, Yanpeng Song, Yanhui Hou, Xu Chen, Jianzhou Zhao, Yongchang Ma, Yang Yang, Jiangang Guo, Jianlin Luo, and Zhi-Guo Chen*, “Strong and Tunable Electrical Anisotropy in Type-II Weyl Semimetal Candidate WP2 with Broken Inversion Symmetry”, Adv. Mater. 31, 1903498 (2019)】。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201903498
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| 图1: WP2的转角线偏振拉曼光谱研究。(a) 计算得到的拉曼活性声子的原子振动示意图。(b)分别在垂直位型（即入射线偏振光电场方向Ei与散射线偏振光电场方向Es垂直）和平行位型（即入射线偏振光电场方向Ei与散射线偏振光电场方向Es平行）下拉曼光谱测得的拉曼活性声子。(c) 在平行位型下，WP2的拉曼光谱随其a轴与入射光电场方向Ei之间夹角的变化。(d) 在平行位型下，WP2的拉曼活性声子峰强随a轴与Ei之间夹角的变化。 |
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| 图2: WP2的晶体ac面内电阻率各向异性的研究。(a) 电流分别沿晶体c和a轴的电阻率Rc和Ra随温度的变化。(b) 电流分别沿晶体c和a轴的电阻率之间比值Rc/Ra与温度的关系。(c) 在温度为10 K时，面内电阻率之间比值Rc/Ra随垂直其ac面的磁场的变化。(d) 在载流子浓度为1021cm-3的已知第二类外尔半金属的面内电阻率各向异性。 |
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| 图3: WP2的低温线偏振红外光谱研究。(a) 入射光电场方向分别平行于晶体c和a轴的红外反射光谱。图中两个箭头所指的能量位置分别为两个偏振方向的屏蔽等离子频率\(\omega_{c}^{s c r}\)和\(\omega_{a}^{s c r}\)。(b) 入射光电场方向分别平行于晶体c和a轴的光电导实部。(c) 两个偏振方向光电导实部对光子能量的积分S。两条虚线的能量位置分别对应两个偏振方向的屏蔽等离子频率。(d) 屏蔽等离子频率处的光电导实部积分S随温度的变化。因光电导实部的积分正比于n/m*，该图中所示的两个偏振方向的光电导实部积分倒数之间的比值Sc-1/Sa-1说明载流子浓度n和载流子有效质量m*的各向异性具有较弱的温度依赖。(e) 从拓展的Drude模型得到的沿两个偏振方向的散射率之间的比值τc-1/τa-1。(f) 外推至零光子能量的τc-1/τa-1随温度的变化。τc-1/τa-1在温度100 K以下突然增强，与Rc/Ra随温度变化的情况一致。 |