北航新闻网12月2日电（通讯员 王琳）近日，北航物理学院表面与低维物理研究方向与华中科技大学、东南大学等合作，在实现多重外尔模研究方面取得重要进展，相关研究成果于2025年11月28日以“Field manipulation of Weyl modes in an ideal Dirac semimetal”为题在线发表于《自然· 通讯》上。物理学院博士生钟景元、王建峰副教授为共同第一作者，杜轶教授、庄金呈副教授、王建峰副教授、郝维昌教授为共同通讯作者，其他合作者包括华中科技大学朱增伟教授、东南大学施智祥教授、北航黄安平教授、石岩教授等，北航为唯一通讯单位。

拓扑量子材料其载流子具有低耗散、强稳定性、携带自旋信息等特征受到广泛关注，同时这类材料能够产生独特拓扑电子结构，这些拓扑物态能够引起新奇的物理现象，如“反常霍尔效应”、“负磁阻”（磁场越强，材料导电越好，和普通材料相反）。其中，“外尔模”是一种特殊的拓扑物态，可赋予电子“手性”特征（类似左手和右手的区别），有“不可叠加的镜像对称性”（两种手性无法通过旋转变成对方），且这种“手性”是电子自身拓扑属性决定的，这种特性的材料具有低能耗、高速度、高稳定性，有望突破现有技术的瓶颈。因此寻找一种能够实现不同外尔模共存以及互相转换的材料显得尤为重要，然而尚未有相关研究报道，这是因为缺乏可适用于相应表征的理想狄拉克半金属材料。

北航物理学院表面与低维物理研究方向近年来致力于准一维拓扑物质Bi₄X₄（X=Br, I）的制备与物性研究，在发现单层（二维）材料为大能隙量子自旋霍尔绝缘体的基础上（Physical Review Letters 133, 256601 (2024)），利用单层材料作为结构基元，通过控制层间堆垛方式和耦合强度等参量，实现了双层堆垛的高阶拓扑绝缘物态（Nature Communications 14, 8089 (2023)）、三层堆垛的弱拓扑物态（Nature Communications 14, 4964 (2023)），通过改变卤族元素的化学比例，实现多重拓扑相变以及新奇的强拓扑和高阶拓扑共存的复合量子态（Nature Communications 16, 1163 (2025)）。在此过程中，发现Bi₄(Br_0.27I_0.73)₄为理想的狄拉克半金属材料，其费米面附近只有狄拉克能带存在，可作为实现多外尔模共存的材料平台。

具有镜像对称性的狄拉克半金属中磁控实现多重外尔模

在此项工作中，研究团队通过综合物性测量系统以及理论计算，通过改变磁场的方向和强度，利用结构中的“镜面对称性”，在狄拉克半金属Bi₄(Br_0.27I_0.73)₄中产生了3种不同的外尔模：带隙外尔模式、外尔节环模、耦合外尔模。通过磁输运表征，成功观测到不同外尔模带来的输运现象，从实验上和理论上验证了这些外尔模的存在。

磁隧穿引起的手性破坏。（a）强磁场下的磁导率。（b）磁隧穿能隙与温度的关系图。（c）计算得到的外尔节环。d、e 在不同磁场下，外尔点WP2 -与WP2 +之间的距离与其态密度展宽的关系。（f）外尔点间磁隧穿效应示意图。（g）手性反常（蓝色区域）与手性破坏（黄色区域）的相图。插图展示了手性反常与手性破坏对应的能带结构示意图。

本质上，研究团队利用“镜面对称性”与不同磁场下之间的关系，调控材料的电子物态。当磁场打破了“镜面对称性”时，电子的运动轨道会出现一个 “能量缺口”（带隙），这种状态下的电子带有很大的“贝里曲率”（可以理解为电子运动的“偏转力”），引起实验中观察到的“反常霍尔效应”；当磁场保留了材料的“镜面对称性”，且磁场不强时，会形成一个 “环状”（外尔节环）的电子结构，产生周期性的电阻振荡和负磁阻现象；当磁场强度足够大时，电子的轨道波函数会重叠，不同手性的电子会相互作用，形成一个新的“隧道能隙”，破坏了“外尔节环”形成耦合外尔模。本研究以磁场作为调控手段，在同一种材料里，精准控制和实现了3种外尔模，并阐明了机理，为未来器件的应用提供了可能。

该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金等的支持。

文章链接及信息：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65832-7

（审核：王菲）

编辑：贾爱平