金屬單質鈹具有十分罕見的性質，不但具有極輕高強的特點，而且是優(yōu)異的等離子體面向材料（比如核聚變堆鈹毯），是反應堆中最好的中子減速劑，是透X射線的能力最強的金屬，等等。因此鈹在原子能、火箭、導彈、航空、宇宙航行以及冶金工業(yè)中有重要作用。同時，鈹還具有特殊的電子結構，其電子輸運性質接近于半金屬，磁場條件下會出現(xiàn)朗道量子振蕩；與絕大多數(shù)其它金屬單質不同，在其（0001）面上的表面態(tài)嚴重偏離近自由電子模型并且會出現(xiàn)奇異原子弛豫現(xiàn)象，伴隨著強電-聲耦合效應和巨大的反常弗里德爾振蕩。在過去的六十多年里，對金屬鈹奇異性質的機理探索從未停止，并引起了長期的爭論。早期的理論認為金屬鈹表面的特殊現(xiàn)象與其巨大的原子弛豫有關，但在接下來的研究中人們發(fā)現(xiàn)這種理論并不合理，與諸多實驗與理論結果相矛盾。金屬鈹特殊性質的機理依然是一個懸而未決的科學謎題。
最近，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室材料加工模擬研究部陳星秋研究員、博士生李榮漢等通過第一原理計算，在金屬鈹單質中發(fā)現(xiàn)拓撲狄拉克節(jié)線（Topological Dirac Node Lines）量子態(tài)。它與拓撲狄拉克半金屬和外爾半金屬不同，該類新的量子態(tài)是金屬能帶線性交叉點在晶格動量空間形成連續(xù)閉合的曲線。它在鈹?shù)模?001）表面的投影是一個閉合的圓，圓內出現(xiàn)受體態(tài)保護半占據(jù)的拓撲非平庸能帶，會在費米能處出現(xiàn)極高的態(tài)密度。令人吃驚的是，這條拓撲非平庸的表面態(tài)從上個世紀八十年代起就先后被國際上諸多研究團隊實驗觀察到，但當時其產(chǎn)生機理并未被揭示。當前研究表明，其特殊的表面電子能帶結構來源于體材料中的拓撲狄拉克節(jié)線量子態(tài)，基于這個認識金屬鈹?shù)闹T多特殊現(xiàn)象可以得到完美的解釋，解決了長久以來困擾人們的謎題。
更重要的是，這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了金屬鈹中困擾的機理問題，也證實了拓撲狄拉克節(jié)線量子態(tài)的存在。早在1976年，麻省理工著名學者R. Jackiw和C. Rebbi通過求解狄拉克方程和楊-米爾斯方程，預測在費米場中孤子態(tài)存在這種量子態(tài)，但迄今缺乏實證。2011年，美國加利福尼亞圣芭芭拉分校的Leon Balents教授和加拿大滑鐵盧大學的A. A. Burkov教授進一步研究認為這種量子態(tài)可以在固體材料中以準粒子形式存在。近幾年，在實際材料中尋找這種新的量子態(tài)成為廣受關注的熱門領域，雖然先后在很多材料中預測存在這種量子態(tài)，均未被實驗驗證。當前，在金屬鈹中的結果證實了這種量子態(tài)誘發(fā)的拓撲非平庸表面態(tài)，為拓撲狄拉克節(jié)線量子態(tài)的存在提供了強有力的證據(jù)。審稿人認為，“這是第一個被實驗證實的狄拉克節(jié)線量子態(tài)的體系”。
同時，研究還進一步發(fā)現(xiàn)該類型量子態(tài)也存在于鎂、鈣和鍶等堿土金屬單質中，金屬鎂中的狄拉克節(jié)線與鈹類似，具有相似的表面態(tài)，理論結果也與實驗吻合。鈣和鍶中的狄拉克節(jié)線態(tài)稍有不同，其拓撲非平庸表面態(tài)出現(xiàn)在狄拉克節(jié)線外部。由于堿土金屬單質尤其是鈹?shù)淖孕?軌道耦合效應極為微弱，不用擔心因該效應導致狄拉克節(jié)線退化成狄拉克半金屬或者外爾半金屬，因此它們提供了一個穩(wěn)定的平臺研究狄拉克節(jié)線量子態(tài)相關的現(xiàn)象。
研究工作得到了沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室頂層導向研究項目和國家自然科學基金項目的支持。
工作發(fā)表在最新一期的《Physical Review Letters》117, 096401 (2016) 。
論文鏈接：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.096401
圖1. 拓撲狄拉克結線量子態(tài)。（a）在鈹單質中，狄拉克節(jié)線量子態(tài)位于動量空間內的kz=0的平面；（b）在鈣單質中，狄拉克節(jié)線量子態(tài)位于動量空間內的kx+ky=0的平面。
圖2.（a）計算的鈹單質(0001)表面的費米面，Ring A為拓撲狄拉克節(jié)線的投影，而Ring B則為拓撲非平庸半占據(jù)表面態(tài)。(b和c) 2005年實驗報道的ARPES結果，證實了Ring B的表面態(tài)[見Phys. Rev. B, 72, 165414 (2005)]。（d）1997年STM實驗觀察到的巨大反常弗里德爾振蕩結果，經(jīng)傅里葉變換后的二維圖像[見Science,275,1765,(1997)]。
圖3. 鈹單質（0001）表面由體態(tài)拓撲保護的非平庸表面態(tài)（SF-band 1）與ARPES實驗結果一致。
