拓?fù)淞孔硬牧嫌捎诰哂衅娈惖碾娮有再|(zhì)，以及在自旋電子學(xué)器件和量子計算等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景受到人們廣泛關(guān)注。已知的拓?fù)淞孔硬牧习ㄍ負(fù)浣^緣體、Dirac半金屬、拓?fù)涔?jié)線半金屬和外爾半金屬等諸多材料體系。其中，本征的拓?fù)浣^緣體具有拓?fù)浞瞧接沟慕^緣體態(tài)以及受時間反演對稱性保護(hù)的金屬表面態(tài)。至今，拓?fù)浣^緣體的實驗證據(jù)大部分來自對金屬表面態(tài)的測量。

作為拓?fù)浣^緣體非平庸體態(tài)的特征之一，體態(tài)導(dǎo)帶和價帶能帶性質(zhì)的反轉(zhuǎn)很少被實驗直接探測到。理論研究表明，拓?fù)浣^緣體體態(tài)能帶性質(zhì)的反轉(zhuǎn)會導(dǎo)致由體態(tài)導(dǎo)帶底和價帶頂分別演化而來的兩個第零朗道能級在某個臨界磁場相交，而對于拓?fù)淦接沟慕^緣體，其體態(tài)的兩個第零朗道能級之間的能量間距隨磁場的增加而增大，因此，體態(tài)導(dǎo)帶和價帶的兩個第零朗道能級在某個臨界磁場相交是拓?fù)浣^緣體體態(tài)導(dǎo)帶和價帶能帶性質(zhì)反轉(zhuǎn)的一個重要特征。

圖1 (A) 拓?fù)淦接菇^緣體到拓?fù)浣^緣體的拓?fù)淞孔酉嘧円约巴負(fù)淦接菇^緣體和拓?fù)浣^緣體的兩個第零朗道能級隨磁場演化的示意圖。(B) ZrTe5的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

ZrTe5是一種兼具一維鏈狀和二維層狀結(jié)構(gòu)特點的van der Waals材料。理論預(yù)言該材料的三維晶體為拓?fù)浣^緣體（見H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 011029 (2015)）。為進(jìn)一步實驗確認(rèn)ZrTe5是否為拓?fù)浣^緣體，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）極端條件物理重點實驗室EX1組諶志國“百人計劃”特聘研究員與北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心王楠林教授、美國Brookhaven國家實驗室顧根大教授、李強(qiáng)教授、武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院余睿教授等人合作，利用強(qiáng)磁場下紅外光譜研究了ZrTe5體態(tài)朗道能級間躍遷的光學(xué)響應(yīng)。他們在ZrTe5的相對透射譜（磁場下透射率相對于零磁場透射率T(B)/T(B0)）中觀察到一系列帶內(nèi)和帶間朗道能級躍遷的吸收特征。當(dāng)磁場較小時（B ≤ 4 T），測得的帶內(nèi)和帶間躍遷能量線性依賴于磁場的根號，且?guī)чg朗道能級躍遷能量線性外延至零磁場時不為零。此外，ZrTe5在零磁場下的光學(xué)吸收系數(shù)線性依賴于光子能量，但在低能量范圍偏離了與光子能量的線性關(guān)系。這些均表明ZrTe5中存在能帶色散為準(zhǔn)線性的三維有質(zhì)量Dirac費米子。利用三維有質(zhì)量Dirac費米子模型擬合朗道能級躍遷能量與磁場間的關(guān)系得到ZrTe5中色散均為準(zhǔn)線性的導(dǎo)帶和價帶間的能隙約為10 meV。當(dāng)磁場足夠高時，ZrTe5中的塞曼效應(yīng)不可忽略，其朗道能級躍遷對應(yīng)的吸收特征發(fā)生劈裂。通過研究強(qiáng)磁場下與兩個第零朗道能級相關(guān)的光學(xué)躍遷能量和磁場的關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)：

1. 當(dāng)磁場B ≤ 17 T時，與兩個第零朗道能級相關(guān)的光學(xué)躍遷為帶間躍遷。

2. 而當(dāng)B > 17 T時，與兩個第零朗道能級相關(guān)的光學(xué)躍遷轉(zhuǎn)變?yōu)閹?nèi)躍遷。

由于ZrTe5的兩個第零朗道能級相交會導(dǎo)致這兩個第零朗道能級上電子(或空穴)的占據(jù)情況發(fā)生互換，因此在臨界磁場B ≈ 17 T，與兩個第零朗道能級相關(guān)的帶間躍遷轉(zhuǎn)變?yōu)閹?nèi)躍遷。與兩個第零朗道能級相關(guān)的光學(xué)躍遷類型的轉(zhuǎn)變表明ZrTe5的兩個第零朗道能級在臨界磁場B ≈ 17 T相交，其體態(tài)能帶性質(zhì)存在反轉(zhuǎn)。強(qiáng)磁場下紅外光譜揭示的體態(tài)能帶性質(zhì)反轉(zhuǎn)以及三維有質(zhì)量Dirac費米子為指認(rèn)ZrTe5是拓?fù)浣^緣體提供了重要的實驗證據(jù)。

圖2 (A) ZrTe5帶間朗道能級躍遷的吸收特征。(B) ZrTe5帶內(nèi)朗道能級躍遷的吸收特征。(C) 帶間朗道能級躍遷能量的平方與磁場的關(guān)系。(D) 帶內(nèi)朗道能級躍遷能量的平方與磁場的關(guān)系。(E) 帶間和帶內(nèi)朗道能級躍遷示意圖。(F) ZrTe5在零磁場下的光學(xué)吸收系數(shù)譜。(G) ZrTe5與兩個第零朗道能級相關(guān)的躍遷吸收特征在強(qiáng)磁場下的劈裂。綠點為與兩個第零朗道能級相關(guān)的帶間朗道能級躍遷能量與磁場的關(guān)系。灰點為與兩個第零朗道能級相關(guān)的帶內(nèi)朗道能級躍遷能量與磁場的關(guān)系。(H) 與兩個第零朗道能級相關(guān)的帶間（綠色箭頭）和帶內(nèi)（灰色箭頭）朗道能級躍遷的示意圖。

該工作得到了中國科學(xué)院“率先行動”百人計劃、科技部國家重點研發(fā)計劃（項目號2016YFA0300600），國家自然科學(xué)基金（項目號11120101003和11327806）和科技部973項目（項目號2012CB821403）等項目的支持。該研究相關(guān)成果通過直接投稿（Direct Submission）發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）【Zhi-Guo Chen*, R. Y. Chen, R. D. Zhong, John Schneeloch, C. Zhang, Y. Huang, Fanming Qu, Rui Yu, Q. Li, G. D. Gu and N. L. Wang*, “Spectroscopic evidence for bulk-band inversion and three-dimensional massive Dirac fermions in ZrTe5”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114, 816-821 (2017)】。

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