科学家在半金属激子绝缘体相变研究中取得新进展

　　近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心张昌锦课题组博士王景荣和中国科学技术大学刘国柱课题组合作在半金属-激子绝缘体相变的研究中取得新进展。相关工作以Excitonic pairing and insulating transition in two-dimensional semi-Dirac semimetals 为题发表于Physical Review B。

　　半金属的费米面通常为离散的点，这导致费米能级的态密度为零。由于特殊的费米面结构，半金属中费米子激发之间的库伦相互作用保持长程性。对于传统金属，费米子激发之间的库伦作用则由于有限态密度导致的屏蔽效应而变成短程相互作用。长程的库伦作用强度有可能导致非费米液体行为，甚至量子相变。当库伦作用足够强的时候，半金属中的费米子激发和空穴子激发将形成束缚对，体系变为激子绝缘体。由于潜在的重要应用，半金属-激子绝缘体相变受到了广泛的理论和实验关注。

　　在较早的研究中，包括基于自洽的Dyson-Schwinger(DS)能隙方程、重整化群分析、蒙特卡洛模拟等方法的理论研究都显示悬挂在真空中的石墨烯的基态是激子绝缘体，而放置在SiO2基片的石墨烯的基态是半金属。但是，Geim组随后的实验研究显示，当温度很低的时候，悬挂在真空中的石墨烯也没有出现激子绝缘相的迹象。近期更加完善的理论研究表明，尽管接近发生激子绝缘体相变的临界值，悬挂在真空中的本征的石墨烯中的库伦作用的强度仍然不足以打开能隙。关于半金属中激子绝缘体相变进一步的研究有两个方向：第一，对石墨烯施加某种外加影响（比如拉力）来增大库伦作用的强度；第二，探讨其它半金属中发生激子绝缘体相变的可能。

　　王景荣等利用DS方程研究了semi-Dirac半金属中的激子绝缘体相变。Semi-Dirac半金属中的费米子激发的色散关系在一个方向线性依赖于动量，在另一个方向依赖于动量的平方。相关计算表明，semi-Dirac半金属比以石墨烯为代表的两维Dirac半金属更容易在库伦作用的影响下打开能隙而变成激子绝缘体。这种半金属-激子绝缘体相变有可能具体在TiO2/VO2纳米结构等体系中得以实现。此外，基于重整化群理论的分析显示，在相变发生的量子临界点附近，序参量的量子涨落导致体系表现出显著的非费米液体行为。

　　该工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金以及安徽省自然科学基金项目的支持。

(a)自发生成的能隙和库伦作用强度的关系；(b)能隙对动量的依赖关系；(c)-(e)量子临界点处波函数重整化因子和能量标度尺度的关系。