拓撲半金屬是當前凝聚態物理的研究熱點之一，可以分為拓撲Dirac半金屬, Weyl半金屬和Node-Line半金屬三種類型。在Weyl半金屬中，體態中存在手性相反的Weyl點，在表面上會出現拓撲保護的費米弧，它們連接手性相反的Weyl點的投影。Dirac半金屬中，一個狄拉克點可以看成手性相反的Weyl點，這樣在側表面上，就會出現連接兩個Dirac點的費米弧。它們已經在傳統的Dirac半金屬Na
3Bi體系中被ARPES實驗觀測到，費米弧的存在已經被認為是拓撲半金屬的一個基本特徵。 但是，最近的理論研究表明Dirac半金屬中的費米弧不是拓撲保護的，在有些情況下有可能會消失轉變成費米圈。由於缺乏這方面的實際材料，這方面的研究不僅沒有實驗驗證，而且對具體產生這種轉變的條件也缺乏具體分析。最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心凝聚態理論與材料計算實驗室胡江平研究員，中國科學院卡弗裡理論科學研究所張富春教授，以及原物理所研究生吳賢新和勒聰聰合作，在美國科學院院報（PNAS）上發表文章預言β-CuI是一種奇特的Dirac 半金屬，其側表面態是費米圈而不是費米弧。這種轉變的具體物理原因是：由於該體系中特殊的原子排列和強自旋軌道耦合，使得KP微擾模型中的三次項變得非常大（這一項在傳統Dirac半金屬中可以被忽略）。同時，該體系體態和表面態Dirac點的能量差比較小，促使側表面態從費米弧轉變成閉合費米圈。費米弧和費米圈的區別可以用角分辨光電子能譜實驗技術直接驗證。由於費米弧和費米圈有非常不同的輸運性質，研究成果對未來拓撲半金屬的應用和調控會產生重要影響。
研究團隊還包括卡弗裡理論科學研究所秦勝山博士，物理所李殷翔博士，以及Würzburg大學Ronny Thomalec教授。吳賢新博士和胡江平研究員是共同通訊作者。本研究得到了科技部（2015CB921300，2017YFA0303100）以及國家自然科學基金委（11334012，11674278）以及中科院先導（XD-B07000000，XDB28000000）的資助。
圖1: Dirac半金屬的兩種側表面態，上面是雙費米弧，下面是費米圈。
圖2: β-CuI晶體結構，原包布里淵區（紅，綠，藍線），晶胞布里淵區（黑線）以及電子能帶結構。
圖3:β-CuI在100面的表面態以及費米麵。紅色點表示Dirac點的投影，白色表示費米能級與能帶的交點。
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