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狄拉克錐

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石墨烯的電子能帶結構中的各向同性狄拉克錐。
2012年4月24日，麻省理工學院在其官方首頁報道了唐-崔瑟豪斯理論 (Tang-Dresselhaus Theory)，該機構的科學家唐爽和崔瑟豪斯夫人 (Mildred Dresselhaus) 在各項異性狄拉克錐方面取得突破，將引領半導體行業的芯片設計和熱電能源領域。


狄拉克錐是一種特殊二維材料中的電子能帶結構，在此結構中，電子具有像光一樣的相對論性質。科研人員認為狄拉克錐可能是通向未來超級芯片、量子計算機、超導和桌面相對論技術的路徑。[1][2][3][4]

典型的狄拉克錐材料包括石墨烯、拓撲絕緣體、鉍銻薄膜和其他新型納米材料。[1][5][6] 這些特殊二維材料中電子的能量和動量具有線性的色散關係，因此其費米能級附近的電子能帶結構呈現出上下兩個錐體，分別代表電子和空穴。兩個錐體的頂端剛好相連，形成「零帶隙」的半金屬相.

狄拉克錐的名字來源於狄拉克方程，由保羅·狄拉克 (Paul Dirac) 提出，用以統一描述物質的量子力學效應和相對論效應。狄拉克錐可以是各向同性，也可是各向異性的。石墨烯中存在各向同性的狄拉克錐，由飛利浦·華萊士（英語：P. R. Wallace） (P. R. Wallace) 於1947提出[7]，並由諾貝爾物理學獎得主安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·諾沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 於2005年首次在實驗中觀察到。[8] 麻省理工學院的唐爽和崔瑟豪斯夫人（Mildred Dresselhaus）於2012年在其唐-崔瑟豪斯理論 (Tang-Dresselhaus Theory) 中首次提出了系統性構建各向異性狄拉克錐的方法。[9][10][11]

描述

在量子力學中，狄拉克錐描述 [12]價帶和導帶的能量在二維晶格k空間中，除了零維狄拉克點所在的位置外，其他任何動量的價帶和導帶能量都不相等。由於是錐型，電傳導可以用無質量費米子的電荷載流子來描述，在理論上這種情況可由相對論性的狄拉克方程來處理。 [13]無質量費米子可以導致各種奇異的量子霍爾效應、或是拓撲材料中的磁電效應和超高載流子遷移率。 [14] [15]在 2008-2009 年實驗上使用角分辨光電子能譜(ARPES) 對鉀-石墨插層化合物KC 8 [16]和幾種鉍基合金的狄拉克錐進行了觀察。[17] [18] [15]

狄拉克錐是二維材料 (像是單層石墨烯)或拓撲絕緣體的表面態的特徵。狄拉克錐在材料中是線性色散關係，由能量與晶體動量的兩個分量k x和k y來描述。然而，這個概念可以擴展到三維材料，其中狄拉克半金屬由能量與k x 、 k y和k z的線性色散關係來定義。在動量空間中，色散關係為超圓錐體，它具有雙重簡併能帶，也在狄拉克點相交。 [15]狄拉克半金屬同時包含時間反演對稱性和空間反演對稱性；當其中一個對稱性被破壞時，狄拉克點可以分裂成兩個外爾點，材料變成外爾半金屬。 [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] 在2014年，實驗上利用ARPES對狄拉克半金屬砷化鎘 的能帶結構進行了直接觀測。 [30] [31] [32]

模擬系統

已在許多物理系統實現狄拉克點，例如等離子體學、聲子學或納米光子學（微腔、 [33]光子晶體[34] ）。

參看

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 Novoselov, K.S.; Geim, A.K. The rise of graphene. Nature Materials. 2007, 6 (3): 183–191. doi:10.1038/nmat1849. 
  2. ^ Hasan, M.Z.; Kane, C.L. Topological Insulators. Rev. Mod. Phys. 2010, 82 (4): 3045. doi:10.1103/revmodphys.82.3045. 
  3. ^ Superconductors: Dirac cones come in pairs. Advanced Institute for Materials Research. wpi-aimr.tohoku.ac.jp. Research Highlights. Tohoku University. 29 Aug 2011 [2 Mar 2018]. [失效連結]
  4. ^ Basic Research Needs for Microelectronics. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） US Department of Energy, Office of Science, October 23-25, 2018.
  5. ^ Dirac cones could exist in bismuth–antimony films （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Physics World, Institute of Physics, April 17, 2012.
  6. ^ Hsieh, David. A topological Dirac insulator in a quantum spin Hall phase. Nature. 2008, 452: 970–974. doi:10.1038/nature06843. 
  7. ^ Wallace, P. R. The Band Theory of Graphite. Physical Review. 1947, 71 (9): 622–634. Bibcode:1947PhRv...71..622W. doi:10.1103/PhysRev.71.622. 
  8. ^ The Nobel Prize in Physics 2010 Press Release （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Nobelprize.org, October 5, 2010. Retrieved 2011-12-31.
  9. ^ New material shares many of graphene’s unusual properties. Thin films of bismuth-antimony have potential for new semiconductor chips, thermoelectric devices （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. MIT News Office (April 24, 2012).
  10. ^ Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. Constructing Anisotropic Single-Dirac-Cones in BiSb Thin Films. Nano Letters. 2012, 12 (4): 2021–2026. doi:10.1021/nl300064d. 
  11. ^ Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. Constructing A Large Variety of Dirac-Cone Materials in the BiSb Thin Film System. Nanoscale. 2012, 4 (24): 7786–7790. doi:10.1039/C2NR32436A. 
  12. ^ Fuchs, Jean-Noël; Lim, Lih-King; Montambaux, Gilles. Interband tunneling near the merging transition of Dirac cones (PDF). Physical Review A. 2012, 86 (6): 063613 [2023-01-21]. Bibcode:2012PhRvA..86f3613F. S2CID 67850936. arXiv:1210.3703 可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevA.86.063613. （原始內容 (PDF)存檔於2023-01-21）. 
  13. ^ Novoselov, K.S.; Geim, A.K.; Morozov, S.V.; Jiang, D.; Katsnelson, M.I.; Grigorieva, I.V.; et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature. 10 Nov 2005, 438 (7065): 197–200 [2 Mar 2018]. Bibcode:2005Natur.438..197N. PMID 16281030. S2CID 3470761. arXiv:cond-mat/0509330 可免費查閱. doi:10.1038/nature04233. （原始內容存檔於2023-05-08）. 
  14. ^ Two-dimensional Dirac materials: Structure, properties, and rarity. Phys.org. [25 May 2016]. （原始內容存檔於2023-01-21）. 
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 Hasan, M.Z.; Moore, J.E. Three-dimensional topological insulators. Annual Review of Condensed Matter Physics. 2011, 2: 55–78. Bibcode:2011ARCMP...2...55H. S2CID 11516573. arXiv:1011.5462 可免費查閱. doi:10.1146/annurev-conmatphys-062910-140432 （英語）. 
  16. ^ Grüneis, A.; Attaccalite, C.; Rubio, A.; Vyalikh, D.V.; Molodtsov, S.L.; Fink, J.; et al. Angle-resolved photoemission study of the graphite intercalation compound KC8: A key to graphene. Physical Review B. 2009, 80 (7): 075431. Bibcode:2009PhRvB..80g5431G. doi:10.1103/PhysRevB.80.075431. hdl:10261/95912 可免費查閱. 
  17. ^ Hsieh, D.; Qian, D.; Wray, L.; Xia, Y.; Hor, Y.S.; Cava, R.J.; Hasan, M.Z. A topological Dirac insulator in a quantum spin Hall phase. Nature. 2008, 452 (7190): 970–974. Bibcode:2008Natur.452..970H. ISSN 0028-0836. PMID 18432240. S2CID 4402113. arXiv:0902.1356 可免費查閱. doi:10.1038/nature06843 （英語）. 
  18. ^ Hsieh, D.; Xia, Y.; Qian, D.; Wray, L.; Dil, J.H.; Meier, F.; et al. A tunable, topological insulator in the spin helical Dirac transport regime. Nature. 2009, 460 (7259): 1101–1105. Bibcode:2009Natur.460.1101H. PMID 19620959. S2CID 4369601. arXiv:1001.1590 可免費查閱. doi:10.1038/nature08234. 
  19. ^ Wehling, T.O.; Black-Schaffer, A.M.; Balatsky, A.V. Dirac materials. Advances in Physics. 2014, 63 (1): 1. Bibcode:2014AdPhy..63....1W. S2CID 118557449. arXiv:1405.5774 可免費查閱. doi:10.1080/00018732.2014.927109. 
  20. ^ Singh, Bahadur; Sharma, Ashutosh; Lin, H.; Hasan, M.Z.; Prasad, R.; Bansil, A. Topological electronic structure and Weyl semimetal in the TlBiSe2 class. Physical Review B. 2012-09-18, 86 (11): 115208. S2CID 119109505. arXiv:1209.5896 可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevB.86.115208. 
  21. ^ Huang, S.-M.; Xu, S.-Y.; Belopolski, I.; Lee, C.-C.; Chang, G.; Wang, B.K.; et al. A Weyl Fermion semimetal with surface Fermi arcs in the transition metal monopnictide TaAs class. Nature Communications. 2015, 6: 7373. Bibcode:2015NatCo...6.7373H. PMC 4490374 可免費查閱. PMID 26067579. doi:10.1038/ncomms8373. 
  22. ^ Weng, Hongming; Fang, Chen; Fang, Zhong; Bernevig, B. Andrei; Dai, Xi. Weyl semimetal phase in non-centrosymmetric transition-metal monophosphides. Physical Review X. 2015, 5 (1): 011029. Bibcode:2015PhRvX...5a1029W. S2CID 15298985. arXiv:1501.00060 可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevX.5.011029. 
  23. ^ Xu, S.-Y.; Belopolski, I.; Alidoust, N.; Neupane, M.; Bian, G.; Zhang, C.; et al. Discovery of a Weyl Fermion semimetal and topological Fermi arcs. Science. 2015, 349 (6248): 613–617 [2023-01-21]. Bibcode:2015Sci...349..613X. PMID 26184916. S2CID 206636457. arXiv:1502.03807 可免費查閱. doi:10.1126/science.aaa9297. （原始內容存檔於2023-01-21）. 
  24. ^ Xu, Su-Yang; Alidoust, Nasser; Belopolski, Ilya; Yuan, Zhujun; Bian, Guang; Chang, Tay-Rong; et al. Discovery of a Weyl fermion state with Fermi arcs in niobium arsenide. Nature Physics. 2015, 11 (9): 748–754 [2023-01-21]. ISSN 1745-2481. S2CID 119118252. arXiv:1504.01350 可免費查閱. doi:10.1038/nphys3437. （原始內容存檔於2023-01-13） （英語）. 
  25. ^ Huang, Xiaochun; Zhao, Lingxiao; Long, Yujia; Wang, Peipei; Chen, Dong; Yang, Zhanhai; et al. Observation of the chiral-anomaly-induced negative magnetoresistance in 3‑D Weyl semimetal TaAs. Physical Review X. 2015, 5 (3): 031023. Bibcode:2015PhRvX...5c1023H. S2CID 55929760. arXiv:1503.01304 可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevX.5.031023. 
  26. ^ Zhang, Cheng-Long; Xu, Su-Yang; Belopolski, Ilya; Yuan, Zhujun; Lin, Ziquan; Tong, Bingbing; et al. Signatures of the Adler–Bell–Jackiw chiral anomaly in a Weyl fermion semimetal. Nature Communications. 2016-02-25, 7 (1): 10735. ISSN 2041-1723. PMC 4773426 可免費查閱. PMID 26911701. doi:10.1038/ncomms10735 可免費查閱 （英語）. 
  27. ^ Schoop, Leslie M.; Ali, Mazhar N.; Straßer, Carola; Topp, Andreas; Varykhalov, Andrei; Marchenko, Dmitry; et al. Dirac cone protected by non-symmorphic symmetry and three-dimensional Dirac line node in ZrSiS. Nature Communications. 2016, 7 (1): 11696. Bibcode:2016NatCo...711696S. ISSN 2041-1723. PMC 4895020 可免費查閱. PMID 27241624. arXiv:1509.00861 可免費查閱. doi:10.1038/ncomms11696. 
  28. ^ Neupane, M.; Belopolski, I.; Hosen, Md.M.; Sanchez, D.S.; Sankar, R.; Szlawska, M.; et al. Observation of topological nodal fermion semimetal phase in ZrSiS. Physical Review B. 2016, 93 (20): 201104(R). ISSN 2469-9969. S2CID 118446447. arXiv:1604.00720 可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevB.93.201104. 
  29. ^ Lu, Ling; Fu, Liang; Joannopoulos, John D.; Soljačic, Marin. Weyl points and line nodes in gyroid photonic crystals (PDF). Nature Photonics. 17 Mar 2013, 7 (4): 294–299 [2 Mar 2018]. Bibcode:2013NaPho...7..294L. S2CID 5144108. arXiv:1207.0478 可免費查閱. doi:10.1038/nphoton.2013.42. （原始內容存檔 (PDF)於2023-01-21）. 
  30. ^ Neupane, Madhab; Xu, Su-Yang; Sankar, Raman; Nasser, Alidoust; Bian, Guang; Liu, Chang; et al. Observation of a three-dimensional topological Dirac semimetal phase in high-mobility Cd3As2. Nature Communications. 2014, 5: 3786. Bibcode:2014NatCo...5.3786N. PMID 24807399. arXiv:1309.7892 可免費查閱. doi:10.1038/ncomms4786 可免費查閱. 
  31. ^ Sankar, R.; Neupane, M.; Xu, S.-Y.; Butler, C.J.; Zeljkovic, I.; Panneer Muthuselvam, I.; et al. Large single crystal growth, transport property, and spectroscopic characterizations of three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2. Scientific Reports. 2015, 5: 12966. Bibcode:2015NatSR...512966S. PMC 4642520 可免費查閱. PMID 26272041. doi:10.1038/srep12966. 
  32. ^ Borisenko, Sergey; Gibson, Quinn; Evtushinsky, Danil; Zabolotnyy, Volodymyr; Büchner, Bernd; Cava, Robert J. Experimental realization of a three-dimensional Dirac semimetal. Physical Review Letters. 2014, 113 (2): 027603. Bibcode:2014PhRvL.113b7603B. ISSN 0031-9007. PMID 25062235. S2CID 19882802. arXiv:1309.7978 可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevLett.113.027603. 
  33. ^ Terças, H.; Flayac, H.; Solnyshkov, D. D.; Malpuech, G. Non-Abelian Gauge Fields in Photonic Cavities and Photonic Superfluids. Physical Review Letters. 2014-02-11, 112 (6): 066402. Bibcode:2014PhRvL.112f6402T. PMID 24580697. S2CID 10674352. arXiv:1303.4286 可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevLett.112.066402. 
  34. ^ He, Wen-Yu; Chan, C. T. The Emergence of Dirac points in Photonic Crystals with Mirror Symmetry. Scientific Reports. 2015-02-02, 5 (1): 8186. ISSN 2045-2322. PMC 4650825 可免費查閱. PMID 25640993. doi:10.1038/srep08186 （英語）. 
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