由第IV主族元素組成的蜂窩狀材料，比如石墨烯，具有很多奇特的物性，這些奇特物性的根源在于其費(fèi)米面附近的電子表現(xiàn)為無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。從能帶角度來說，這些材料在布里淵區(qū)的K點(diǎn)處的能帶為狄拉克錐。調(diào)控狄拉克費(fèi)米子中的物理特性對于實(shí)現(xiàn)新型的量子器件具有重要意義。比如，施加周期勢可以實(shí)現(xiàn)狄拉克費(fèi)米子費(fèi)米速度的重整，復(fù)制狄拉克錐或者在狄拉克點(diǎn)處打開能隙，從而使得人們能夠調(diào)控其輸運(yùn)性質(zhì)。值得一提的是，在三維狄拉克半金屬中，破壞空間反演對稱性或者時(shí)間反演對稱性將使狄拉克錐劈裂成兩個(gè)外爾錐，產(chǎn)生很多新奇的物性，比如手性反常、超大磁阻等。然而，在二維材料中，尚無實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明狄拉克錐可以發(fā)生動(dòng)量上的劈裂。

　　最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF9組特聘研究員馮寶杰、研究員陳嵐、吳克輝與SF10組的博士生周輝、研究員孟勝進(jìn)行合作，利用角分辨光電子能譜（ARPES）并結(jié)合理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)了單層硅烯的狄拉克錐會發(fā)生劈裂，該劈裂是由于襯底的長程周期勢所導(dǎo)致。

　　硅烯作為一種新型的量子材料，具有很多優(yōu)于石墨烯的奇特物性，比如量子自旋霍爾效應(yīng)等，因此硅烯在石墨烯出現(xiàn)之后便受到了廣泛的關(guān)注。實(shí)際上，2016年，SF9組同SC7組研究員周興江進(jìn)行合作，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了成對出現(xiàn)的狄拉克錐(PNAS 113, 14656 (2016))。在此基礎(chǔ)上，他們對這些狄拉克錐的起源進(jìn)行了深入的研究。他們利用同步輻射光源的ARPES詳細(xì)地研究了硅烯的電子結(jié)構(gòu)：利用線二色性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)狄拉克錐僅對p偏振光可見，結(jié)合ARPES中的矩陣元效應(yīng)，可以判斷出這些狄拉克錐主要來自于硅的p_z軌道，從而在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了這些狄拉克錐來自于硅烯本身。利用第一性原理及緊束縛模型，他們發(fā)現(xiàn)硅烯與襯底形成的4×4超結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生周期性的勢場，該周期勢場將使狄拉克錐發(fā)生劈裂。

　　這項(xiàng)工作一方面為調(diào)控狄拉克錐的物性提供了一項(xiàng)重要的手段，另一方面澄清了長期以來硅烯中的狄拉克錐是否被襯底破壞的爭議。這一成果發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（Phys. Rev. Lett. 122, 196801 (2019)）上。該工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)等的資助。

　　圖1：硅烯的原子結(jié)構(gòu)及成對出現(xiàn)的狄拉克錐

　　 

　　   圖2：線二色性ARPES示意圖及測量結(jié)果

　　   圖3：緊束縛模型和DFT計(jì)算結(jié)果