由于三維晶體中Weyl（外爾）準粒子是不需特殊對稱性保護的拓撲結(jié)構(gòu)，同時具有特別的表面費米弧和奇特的電輸運行為，單粒子圖像下的拓撲半金屬材料的研究是凝聚態(tài)物理中的熱點，科研人員逐步關(guān)注到外爾半金屬材料中由電子-電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致的新物理和新現(xiàn)象。2012年，清華大學(xué)高等研究院研究員汪忠和美國華裔物理學(xué)家張首晟提出，在考慮電子-電子之間的相互作用后，手征相反的外爾點發(fā)生費米面nesting（嵌套），外爾半金屬可以失穩(wěn)轉(zhuǎn)變到電荷密度波（charge-density wave; CDW）相，同時，它是一個軸子絕緣體（axion insulator），包含拓撲磁電耦合項 θ E·B （E和B分別是電場和磁場）。由于缺乏相關(guān)材料，具有電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的外爾半金屬材料研究進展緩慢。

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心凝聚態(tài)理論與材料計算實驗室特聘研究員王志俊與美國普林斯頓大學(xué)教授B. Andrei Bernevig、上?？萍即髮W(xué)博士史武軍、普林斯頓大學(xué)博士Benjamin J. Wieder，以及德國馬普微結(jié)構(gòu)物理研究所博士Holger L. Meyerheim等人合作，通過第一性原理理論計算預(yù)言，結(jié)合X射線衍射（XRD）和角分辨光電子能譜（ARPES）等實驗手段，發(fā)現(xiàn)準一維材料(TaSe4)₂I（圖1）在高溫下是Weyl半金屬，而在低溫下發(fā)生電荷密度波相變，首次在真實材料中實現(xiàn)由電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)驅(qū)動的外爾半金屬到軸子絕緣體的轉(zhuǎn)變。

通過計算發(fā)現(xiàn)，具有手征對稱性的準一維材料(TaSe4)2I是一個包含24對Weyl點的外爾半金屬。由于缺乏空間反演和鏡面對稱性，與TaAs等傳統(tǒng)的Weyl半金屬不同，(TaSe4)₂I中手性相反的Weyl點可出現(xiàn)在不同的能量上，可以作為觀測量子圓偏光電流效應(yīng)（quantized circular photogalvanic effect; CPGE）等手征拓撲特性的材料。在該材料中，費米能級以下的凈手征電荷為16，這是目前費米能級以下手性電荷總量最大的材料。在CDW相變溫度（TC~248K）以下時，科研人員在XRD的實驗數(shù)據(jù)中看到CDW波矢所導(dǎo)致的Bragg點附近的衍射衛(wèi)星峰（圖1）。手性相反的Weyl點形成的費米面嵌套（Fermi surface nesting）使系統(tǒng)打開能隙，從而發(fā)生由外爾半金屬到軸子絕緣體的相變。通過電輸運測量和角分辨光電子能譜（ARPES）實驗證實了金屬到絕緣體轉(zhuǎn)變的存在。通過計算電極化率發(fā)現(xiàn)，這些新的衍射峰與手性電荷相反的Weyl點之間波矢相關(guān)。此外，為進一步驗證磁電耦合項的存在，德國馬普固體化學(xué)物理研究所的合作者們仔細地測量了CDW的集體模式電流JCDW與B與E之間夾角的關(guān)系，實驗表明增加的電導(dǎo)與此夾角有近似平方余弦函數(shù)的關(guān)系，間接驗證了拓撲磁電效應(yīng)的存在（圖2）。

相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Nature Physics上。參與研究的合作單位包括德國德累斯頓馬普固體化物所、德國萊布尼茨研究所、英國牛津大學(xué)、清華大學(xué)等。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、物理所材料基因組研究平臺項目和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。

圖1.X射線衍射強度圖，顯示著由電荷密度波導(dǎo)致的（620）衍射峰附近的小衛(wèi)星峰。插圖為準一維材料(TaSe4)2I的晶體結(jié)構(gòu)。

圖2.測量的 Δ(dI/dV)數(shù)據(jù)與E和B之間夾角存在近似平方余弦函數(shù)的關(guān)系