进展SchriefferHeeger晶格中狄拉克电子态的实验观测

　　探索 新型拓扑材料 对推动凝聚态物理的发展具有重要意义。在 狄拉克电子材料 中，导带和价带在动量空间中形成 线性色散的狄拉克锥 ，并且受到了 镜面 或 时间反演 等对称性的保护。狄拉克电子材料的 拓扑能带结构 赋予其多种奇特的物性，比如 半整数量子霍尔效应、Klein隧穿、极大磁阻 等。另外， 对称性的破缺 将使狄拉克点打开 能隙 ，从而产生更多奇特的拓扑态。目前，实验证实的狄拉克材料多为三维体材料，而 二维狄拉克材料 相对而言比较少见，且主要为六重对称的蜂窝晶格，如石墨烯、硅烯等。最近， 理论上预言了一些具有方形晶格的二维狄拉克材料 ，如6,6,12-graphyne,t1 (t2)-SiC和g-SiC3 等，但是这些材料的实验合成和验证都存在很大的挑战。
　　1979年，W. P. Su、J. R. Schrieffer和A. J. Heeger三位科学家提出了 Su-Schrieffer-Heeger (SSH) 模型 ，用于描述一维二聚化晶格中的电子跃迁，并且可以通过参数调节实现丰富的 拓扑态 。2016年，F. Liu等人将这一模型拓展到二维，给出了由Zak相描述的二维方形晶格中的拓扑相变，为探索二维狄拉克材料提供了理论指导。在二维SSH模型中，当电子胞内跃迁与胞间跃迁幅度相等时，体系将在布里渊区的M点形成无能隙的 狄拉克锥 ；通过改变晶格位点势能和电子跃迁幅度可以调控能隙的打开和关闭，如 图一 所示。目前，对于二维 SSH 模型的实验验证主要集中在光子和声子晶体等人工体系中。
　　图一：二维SSH模型示意图。
　　近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室 SF9组 冯宝杰特聘研究员、吴克辉研究员、陈岚研究员，博士生耿岱玉 ，与 SF10组 孟胜研究员，博士生周辉 合作，在Si/Ag(001)体系中观测到了打开能隙的狄拉克锥，并且发现该体系可以用二维SSH模型来描述。
　　利用 分子束外延（MBE）技术 ，他们在Ag(001)表面生长出了二维方形Si晶格。结合第一性原理计算，他们确认了该体系的原子结构。Si在Ag(001)表面通过部分移除下方的Ag原子而形成稳定的3×3重构，如 图二 所示。
　　图二：Si/Ag(001)晶格结构。
　　ARPES实验发现，布里渊区的M点存在打开能隙的狄拉克锥，并且相邻的两个狄拉克锥在X点形成鞍点，如 图三 所示。
　　图三：Si/Ag(001)能带结构的ARPES测量结果。
　　第一性原理计算结果与ARPES实验数据完全一致，如 图四 所示。他们利用紧束缚模型，发现该体系的狄拉克锥可以用二维SSH模型来描述。由于该体系在x和y方向具有不同的电子跃迁幅度，并且存在位点势能和跃迁幅度的交替变化，因此体系狄拉克锥呈现各向异性并打开了能隙。
　　图四：第一性原理计算和紧束缚模型。
　　这项工作为 研究基于二维SSH模型衍生的拓扑物相 提供了新的平台。这一成果以＂Observation of gapped Dirac cones in a two-dimensional Su-Schrieffer-Heeger lattice＂为题发表在近期的《自然通讯》上，见 Nat. Commun. 13, 7000 (2022) 。该工作得到国家自然科学基金委、科技部、中科院国际合作项目和中科院先导项目等的支持。
　　原文链接 Observation of gapped Dirac cones in a two-dimensional Su-Schrieffer-Heeger lattice | Nature Communications