拓?fù)浒虢饘俨牧系捏w內(nèi)電子態(tài)在費(fèi)米能級(jí)附近有受到對(duì)稱性或拓?fù)浔Ｗo(hù)的能帶交叉，線性的能帶交叉附近的電子激發(fā)是無(wú)質(zhì)量的費(fèi)米準(zhǔn)粒子。拓?fù)浒虢饘僦械哪軒Ы徊嬗泻芏喾N類型，如果按照維度來(lái)區(qū)分，大多數(shù)能帶交叉在動(dòng)量空間中形成零維的節(jié)點(diǎn)（nodal point），如Na₃Bi和Cd₃As₂中的狄拉克點(diǎn)、TaAs中的外爾點(diǎn)、MoP和WC中的三重簡(jiǎn)并點(diǎn)、CoSi中新型的手性節(jié)點(diǎn)等。在某些情況下，額外的晶體對(duì)稱性會(huì)保證能帶交叉點(diǎn)在動(dòng)量空間中延伸，形成一維的節(jié)線（nodal line），甚至二維的節(jié)面（nodal surface）。

　　節(jié)線半金屬在2011年被提出，能帶計(jì)算已經(jīng)預(yù)言了不少候選材料，其中ZrSiS系列受到非常多的關(guān)注，因?yàn)樗軒ЫY(jié)構(gòu)理想，能帶計(jì)算表明在費(fèi)米能級(jí)除了節(jié)線沒(méi)有其它平庸能帶的干擾，并且易于制備出高質(zhì)量的單晶樣品。2015年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心T03組博士生許秋楠和研究員翁紅明等首先報(bào)道了ZrSiS系列費(fèi)米能級(jí)附近節(jié)線的計(jì)算結(jié)果[Phys. Rev. B 92, 205310 (2015)]。2017年，A. Topp等人指出在費(fèi)米能級(jí)以下布里淵區(qū)邊界還存在非簡(jiǎn)單空間群保證的節(jié)面[Phys. Rev. X 7, 041073 (2017)]。

　　2016年以來(lái)已經(jīng)有很多關(guān)于ZrSiS系列的角分辨光電子能譜（ARPES）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的報(bào)道（圖1E、I、J），但和理論計(jì)算的體態(tài)電子結(jié)構(gòu)（圖1D、H）有明顯的差異。這是因?yàn)檫@些ARPES測(cè)量的是解理表面晶體對(duì)稱性破缺以及懸掛鍵產(chǎn)生的表面態(tài)，所以和理論計(jì)算的表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)（圖1C、F）吻合。物理所EX7組博士生付彬彬、研究員錢(qián)天、丁洪等發(fā)現(xiàn)在空氣中解理ZrSiS樣品可消除表面態(tài)，再借助軟X射線ARPES探測(cè)范圍較深的特點(diǎn)，可以觀測(cè)到干凈的體態(tài)電子結(jié)構(gòu)（圖1G、K、L），與理論計(jì)算（圖1D、H）吻合。基于這個(gè)方法，他們對(duì)ZrSiS體態(tài)中的節(jié)面（圖2）和節(jié)線（圖3）電子結(jié)構(gòu)開(kāi)展了系統(tǒng)的測(cè)量，并確認(rèn)了費(fèi)米能級(jí)處所有的電子態(tài)都來(lái)自于節(jié)線。在這個(gè)工作中，物理所EX1組博士生伊長(zhǎng)江和研究員石友國(guó)提供了ZrSiS單晶樣品，T03組博士生張?zhí)锾锖脱芯繂T翁紅明進(jìn)行了能帶計(jì)算。

　　相關(guān)研究成果于5月3日在Science Advances上在線發(fā)表。該工作得到科技部（2016YFA0300600、2016YFA0401000、2016YFA0302400、2018YFA0305700、2017YFA0302901），國(guó)家自然科學(xué)基金委（11622435、U1832202、11474340、11674369、11474330、11774399），中科院（QYZDB-SSW-SLH04、XDB07000000、XDB28000000），科學(xué)挑戰(zhàn)計(jì)劃（TZ2016004），王寬誠(chéng)教育基金會(huì)（GJTD-2018-01），北京市自然科學(xué)基金委（Z180008），北京市科委（Z171100002017018、Z181100004218001、Z181100004218005）的資助。

    圖1. 在超高真空中解理利用深紫外ARPES測(cè)量結(jié)果與空氣中解理利用軟X射線ARPES測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，后者能夠觀測(cè)到純凈的體態(tài)能帶結(jié)構(gòu)。

圖2. ZrSiS費(fèi)米能級(jí)以下狄拉克節(jié)面的ARPES實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3. ZrSiS費(fèi)米能級(jí)附近狄拉克節(jié)線的ARPES實(shí)驗(yàn)結(jié)果