近日，中國科學技術大學教授陳仙輝研究組與復旦大學教授張遠波、中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員鄒良劍合作，在具有反常能帶色散的三維電子系統研究領域取得新進展，相關研究成果發表在10月28日的《物理評論快報》上，論文第一作者為中國科大博士研究生項子霽。

　　具有線性色散能帶和相對論性準粒子的三維固體材料（包括狄拉克半金屬，Weyl半金屬和Rashba半導體等）是當前凝聚態物理學界研究熱點，而擁有和石墨類似的六角格子層狀結構的元素半導體黑磷以其眾多特殊的物性（如準二維性、直接帶隙、較大的面內各向異性和高載流子遷移率）而成為近期的明星材料。陳仙輝研究組和張遠波研究組在黑磷的研究中已合作實現黑磷材料的二維場效應晶體管（Nature Nanotech. 2014, 9, 372-377），并在黑磷量子阱中實現電場誘導的高遷移率二維電子氣（Nature Nanotech. 2015, 10, 608-613）。本次報道中涉及的研究成果則在黑磷和狄拉克半金屬兩個近期備受關注的研究方向之間建立了直接聯系。

　　陳仙輝研究組及其合作者在電輸運實驗中發現黑磷單晶中的直接帶隙會在外加靜水壓下逐漸關閉。在外加壓強達到1.2GPa時，黑磷會經歷電子相變而進入一個新的物態，這個高壓相具有典型的半金屬特征，包括反常大的正磁阻以及電子空穴兩種載流子的共存。對高壓下半金屬態的量子振蕩分析結果表明其電子結構中包括非常小的多重費米口袋和有效質量極輕的載流子，其中一個費米口袋的量子振蕩信號顯示出拓撲非平庸的振蕩相位，這說明該能帶具有反常的線性色散關系，其中載流子的本質則是狄拉克費米子。

　　這是首次在輸運測量中證明黑磷中存在奇異電子態，也是首次在實驗上觀察到壓力誘導的狄拉克半金屬相，對于理解固體材料中相對論性準粒子和反常色散能帶的形成與演化具有重要意義。

    該工作得到國家自然科學基金委、國家重點基礎研究發展計劃和中國科學院戰略性先導科技專項的資助。

    (a) 黑磷中壓力誘導的半金屬態的電導率振蕩；(b) 對朗道能級指標的分析表明其中存在拓撲非平庸的振蕩相位。