近期，中科院合肥研究院固體所功能材料物理與器件研究部羅軒等與浙江大學(xué)尹藝、中科院合肥研究院強磁場(chǎng)科學(xué)中心郝寧、孫玉平、北京應用物理與計算數學(xué)研究所張平、德國漢堡大學(xué)理論物理所A. L. Lichtenstein、俄羅斯烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)M. I. Katsnelson等合作，在結線(xiàn)型拓撲半金屬ZrSiSe中Lisfshitz相變的物理機理及激子不穩定性研究方面取得進(jìn)展，相關(guān)結果以“Temperature-induced Lifshitz transition and possible excitonic instability in ZrSiSe”為題發(fā)表在《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 124，236601 (2020))上，博士生陳昉初、費瑩、李淑靜為文章的共同第一作者，羅軒、尹藝、郝寧和孫玉平為文章的共同通訊作者。 

　　凝聚態(tài)物理中在Landau相變范疇外，存在一種描述費米面拓撲變化的相變-Lifshitz相變。Lifshitz相變通常由非溫度的調控因子，比如壓力、磁場(chǎng)、摻雜等實(shí)現費米面拓撲結構突變。最近，在狄拉克半金屬報導了一種新型溫度驅動(dòng)的Lifshitz相變，其中相變通常發(fā)生在費米能穿過(guò)能帶交叉節點(diǎn) (nodal point)。由于在這些節點(diǎn)附近，載流子具有高遷移率，當費米能穿過(guò)節點(diǎn)時(shí)，該體系可以從n(p)型切換到p(n)型，因此Lifshitz相變通常與拓撲半金屬異常輸運行為密切相關(guān)。

　　研究人員通過(guò)生長(cháng)高質(zhì)量ZrSiSe晶體，結合低溫、磁場(chǎng)下電輸運、掃描隧道譜測量和第一性原理計算，發(fā)現在ZrSiSe中溫度可以誘導Lifshitz相變發(fā)生。通過(guò)雙帶模型分析霍爾電導，研究表明ZrSiSe在高于臨界溫度T = 106 K時(shí)載流子為空穴，而當溫度降至106 K以下，一部分電子型載流子突然出現，隨著(zhù)溫度的進(jìn)一步降低，低溫下電子和空穴載流子接近于補償 (圖1e，f)。此外，微分電導譜分析結果也與輸運結果相吻合(圖2c，e) 。結合第一性原理計算，研究表明載流子濃度劇烈變化起源于溫度降低費米能級移動(dòng)導致新的電子型口袋的產(chǎn)生，從而證實(shí)溫度驅動(dòng)Lifshitz相變發(fā)生 (圖3b)。此外，低溫掃描隧道微分電導譜在費米能級附近觀(guān)測到了“V型”態(tài)密度贗能隙結構 (圖2a)，理論計算表明該贗能隙結構起源于自旋軌道耦合和電子關(guān)聯(lián)效應引起激子不穩定性的共同作用 (圖4)。此工作全面揭示了ZrSiSe中溫度驅動(dòng)Lifshitz相變效應并發(fā)現了該體系中關(guān)聯(lián)效應引起的激子不穩定態(tài)，拓展了節線(xiàn)半金屬研究方向。 

　　以上研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項目，國家自然科學(xué)基金-大科學(xué)裝置聯(lián)合基金培育項目、重點(diǎn)項目，國家自然科學(xué)基金，中科院合肥大科學(xué)中心“高端用戶(hù)”培育基金等項目資助。

　　文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.236601

圖1. (a, b) 不同溫度下ZrSiSe電阻率和霍爾電阻率隨磁場(chǎng)變化；(c, d) 不同溫度下ZrSiSe霍爾電導率隨磁場(chǎng)變化；(e, f) 基于雙帶模型擬合得到載流子濃度和遷移率隨溫度變化。