狄拉克半金属是一种全新的奇特拓扑量子材料。这种材料的体电子形成了三维的狄拉克锥结构，所以可以看作是“三维的石墨烯”。另外，由于这种材料的电子结构具有非平庸的拓扑性质，它也有和拓扑绝缘体类似的表面态。这些独特的电子结构在最近的高分辨光电子谱实验中得到了证实。

中国科大微尺度物质科学国家实验室和中国科学院强耦合量子材料物理实验室陈仙辉教授研究组近日在具有反常能带色散的三维电子系统研究领域取得重要进展，该研究组与复旦大学张远波教授以及中国科学院固体物理所邹良剑研究员合作，在层状半导体黑磷（blackphosphorus）中发现压力诱导的电子结构拓扑相变，并确认高压下黑磷的半金属相中存在狄拉克费米子。相关研究成果于10月28日以“Pressure-inducedelectronictransitioninblackphosphorus”为题线上发表在权威物理学杂誌《物理评论快报》上[Phys.Rev.Lett.115,186403(2015)]。该工作的第一作者为我校博士研究生项子霁同学。

具有线性色散能带和相对论性準粒子的三维固体材料（包括狄拉克半金属，Weyl半金属和Rashba半导体等）是当前凝聚态物理学界研究热点，而拥有和石墨类似的六角格子层状结构的元素半导体黑磷以其众多特殊的物性（如準二维性，直接带隙，较大的面内各向异性和高载流子迁移率）而成为近期的明星材料。陈仙辉教授研究组和张远波教授研究组在黑磷的研究中已合作实现黑磷材料的二维场效应电晶体（NatureNanotech.2014,9,372-377），并在黑磷量子阱中实现电场诱导的高迁移率二维电子气（NatureNanotech.2015,10,608-613）。本次报导中涉及的研究成果则在黑磷和狄拉克半金属两个近期备受关注的研究方向之间建立了直接联繫。

陈仙辉教授研究组及其合作者在电输运实验中发现黑磷单晶中的直接带隙会在外加静水压下逐渐关闭。在外加压强达到1.2GPa时，黑磷会经历电子相变而进入一个新的物态，这个高压相具有典型的半金属特徵，包括反常大的正磁阻以及电子空穴两种载流子的共存。对高压下半金属态的量子振荡分析结果表明其电子结构中包括非常小的多重费米口袋和有效质量极轻的载流子，其中一个费米口袋的量子振荡信号显示出拓扑非平庸的振荡相位，这说明该能带具有反常的线性色散关係，其中载流子的本质则是狄拉克费米子。这一工作是首次在输运测量中证明黑磷中存在奇异电子态，也是首次在实验上观察到压力诱导的狄拉克半金属相，对于理解固体材料中相对论性準粒子和反常色散能带的形成与演化具有重要意义。

复旦大学物理学系修发贤课题组通过研究狄拉克半金属ZrTe5在强磁场下的输运性质，首次观测到一种新奇的磁场诱导的自旋密度波态，这一发现为狄拉克半金属的研究提供了新的角度和思路。相关研究成果发表于《自然通讯》。

狄拉克半金属具有和石墨烯相似的能带结构，它展现出高磁阻、高迁移率等优良电学性质。大量理论研究指出，多体相互作用能诱导狄拉克半金属发生奇特相变，同时使原本无质量的狄拉克电子产生质量，此前尚未有实验报导验证这一现象。

研究者发现，ZrTe5具有很好的準二维特性，表现出体态的量子霍尔效应。同时发现ZrTe5在较小的磁场时，即可观察到塞曼自旋劈裂现象，并且满足材料的量子极限条件，使得多体相互作用的效应随着磁场增大逐渐凸显。在超强磁场的条件下，观察到样品电阻值的反常突变，表明发生磁场诱导相变。而这一相变是由于体系进入量子极限以后多体相互作用增强，从而引发的自旋密度波相变。

专家认为，这一发现表明了狄拉克半金属是一个研究拓扑态关联效应的理想平台，为进一步研究狄拉克电子性质提供了新线索。