铁基超导体中狄拉克费米子的强磁场下红外光谱研究 | 进展

二维无质量狄拉克（Dirac）费米子在二维动量空间具有线性色散关系，对于许多量子现象的出现起关键性的作用。其中一些量子现象受到二维无质量狄拉费米子的费米速度的调控。因此，与二维无质量狄拉克费米子的费米速度相关的标度关系是精确调控相关量子现象的重要基础之一。之前，二维无质量狄拉克费米子的费米速度被揭示与电荷自由度相关物理量具有标度关系。但是，二维无质量狄拉克费米子的费米速度与其他自由度相关量之间的标度关系尚不清楚。存在于超导态的受拓扑保护的二维无质量狄拉克费米子可为探索包括拓扑超导在内的奇异量子现象提供平台。然而，二维无质量狄拉克费米子还未在铁砷超导体系的超导体态被发现。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX1组谌志国研究员指导博士生吕承谱和徐越山（已毕业），与北京大学王楠林教授、莱斯大学戴鹏程教授、西南科技大学赵建洲副教授等合作者利用强磁场和低温下红外光谱研究了“111”型和“122”型铁砷超导体系体态朗道能级之间跃迁的光学响应。他们首先在处于超导态的“111”型铁砷超导体NaFeAs的相对光电导谱中观察到两套带间朗道能级跃迁的吸收特征T1和T2（如图(a)所示）。这两套带间朗道能级跃迁能量与磁场的根号成线性关系（如图(b)所示），T1和T2能量之间的比值约为2.4（约等于1+√2）（如图(b)中插图所示），且带间朗道能级跃迁能量线性外延至零磁场时为零。此外，与第零朗道能级相关的朗道能级跃迁对应的光学吸收特征T1明显强于其他朗道能级跃迁的光学吸收。DFT+DMFT计算显示NaFeAs沿着动量方向kx和ky有色散为线性的能带，但是，这些能带沿着kz方向的色散极弱。以上光谱实验与理论计算结果均表明二维无质量狄拉克费米子存在于NaFeAs的超导体态。

另外，利用强磁场和低温下红外光谱测得的NaFeAs，BaFe2As2和CaFe2As2的体态朗道能级跃迁T1能量与磁场根号的线性关系（如图(c)所示），得到NaFeAs中二维无质量狄拉克费米子的费米速度 约为0.54 × 105 m/s，在BaFe2As2中 约为1.18 × 105m/s，在CaFe2As2中 约为2.16 × 105m/s，并发现NaFeAs和AFe2As2 (A = Ba,Ca)体态中的二维无质量狄拉克费米子的费米速度与铁-砷键长呈线性关系（如图(d)所示）。

图(a) 处于超导态的NaFeAs的相对光电导谱随磁场的演化。(b) NaFeAs体态朗道能级之间跃迁的吸收特征T1和T2能量与磁场根号的关系。插图显示T1和T2能量之间的比值。(c) NaFeAs和AFe2As2 (A = Ba,Ca)体态朗道能级跃迁T1能量与磁场根号的关系。(d) NaFeAs和AFe2As2 (A = Ba,Ca)中的二维无质量狄拉克费米子的费米速度与铁-砷键长关系。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导专项、广东省基础与应用基础研究基金等项目和综合极端条件实验装置的支持。参与该工作的人员还包括:浙江大学宋宇研究员、莱斯大学博士后张承林和美国国家强磁场实验室Mykhaylo Ozerov博士。该研究相关成果以Letter的形式发表在Physical Review B，并被选为编辑推荐(Editors’Suggestion)文章【详见：Phys. Rev. B 111,L241110 (2025)】。

编辑：yhc