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近日，中国人民大学物理系夏天龙教授、卢仲毅教授、刘凯副教授和清华大学物理系周树云教授合作，证实了BaGa₂中准二维狄拉克费米子的存在，并在层间输运上观测到处于量子极限下零级朗道能级上的准二维狄拉克费米子隧穿引起的负磁阻效应。该研究成果以“Interlayer Quantum Transport in Dirac Semimetal BaGa₂”为题于2020年5月12日在线发表于《Nature Communications》。

理想的二维狄拉克/外尔半金属，由于其狄拉克/外尔能带不存在k_z方向的色散，因此在层间输运中不提供层间电导。对于一个处于量子极限下的二维狄拉克/外尔半金属体系，如果在c方向外加磁场，其零级朗道能级上的简并度会随着磁场的增强而急剧增加。此时处于零级朗道能级上的狄拉克/外尔费米子就会通过隧穿的形式直接参与到层间输运中引起额外的隧穿电导，隧穿电导随着磁场的增强而增大，导致层间负磁阻效应。BaGa₂的晶体结构由蜂窝状的Ga层和Ba层组成。其准二维的狄拉克锥由Ga的p_z轨道贡献，狄拉克点正好落在费米能级上。角度依赖的dHvA量子振荡实验，第一性原理计算和ARPES实验结果联合表明：BaGa₂在第一布里渊区的K点存在准二维的狄拉克锥，且狄拉克点刚好位于费米能级上；外加磁场和电场都沿c轴方向时，层间电阻随着磁场的增强而减弱，表现出负磁阻行为；当磁场从平行于c轴转到ab面内的过程中，层间电阻逐渐增大并在B//ab时出现层间电阻峰值。以上实验现象表明当B//c时，微弱的外磁场即可使得体系达到量子极限，处于量子极限下的准二维狄拉克费米子则通过隧穿的形式直接参与层间输运；而在B//ab时，准二维狄拉克能带的量子化被抑制，层间隧穿电导消失。本工作首次实验证实了BaGa₂中存在准二维的狄拉克费米子，并观测到了处于量子极限下零朗道能级上的狄拉克费米子隧穿导致的层间负磁阻。

夏天龙教授课题组生长了高质量的BaGa₂单晶样品，开展了细致的dHvA振荡研究以及转角层间电阻测试分析，卢仲毅教授、刘凯副教授课题组为该工作提供了详细的第一性原理计算，周树云教授课题组为该工作提供了重要的ARPES实验测试和分析。人大物理系博士生徐升，郭鹏杰，王义炎和清华物理系博士生鲍昌华为论文共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中央高校基础研究基金的支持。

论文信息：

S. Xu⁺, C. Bao⁺, P.-J. Guo⁺, Y.-Y. Wang⁺, Q.-H. Yu, L.-L. Sun, Y. Su, K. Liu, Z.-Y. Lu, S. Zhou, and T.-L. Xia*, Nat. Commun. 11, 2370 (2020).

//www.nature.com/articles/s41467-020-15854-0

doi:10.1038/s41467-020-15854-0