《Physical Review Letters》发表我校李绍春教授课题组、陈延彬副教授课题组关于二维拓扑绝缘体的最新研究成果

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本工作的完成得益于南京大学在三个方面的完美合作,包括高质量单晶样品的制备,高分辨的低温扫描隧道显微术表征和理论模型的支持。

图1:ZrTe5晶体结构和STM表面形貌图。STM在表面远离台阶处观测到100meV的能隙,能隙中的态密度为零。

(物理学院 科学技术处)

工作得到国家科技部、自然科学基金委、青年千人计划、以及中央高校经费等项目的支持。

这个工作是首次观测到具有大能隙的绝缘体态,即能隙中态密度为零,材料的边界观测到一维拓扑边界态,有利于高温下量子自旋霍尔效应的观测和实际应用。这一研究成果发表在Physical
Review X
6, 021017 上。

图2. 准粒子干涉图样与傅立叶变换结果.
不同能量下的准粒子干涉图案的傅立叶变换结果. 沿着Y-Γ-Y
方向的能带结构示意图. 由实验得到的Y-Γ-Y 方向的E-q 能带色散关系.

图二: 在ZrTe5表面台阶处测量的微分电导;的快速傅立叶变换结果;
边界态在不同能量位置的穿透深度;和边界处的局域态密度比较;
边界态沿着表面台阶分布的一维性质。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室的理论计算、材料制备和谱学测量的研究团队紧密合作,证实了ZrTe5单晶满足以上三个必要条件,提供了表面台阶处具有拓扑边界态的证据。2014年,副研究员翁红明、研究员戴希、研究员方忠预言单层ZrTe5和HfTe5是大能隙的二维拓扑绝缘体,组成的块材单晶在强拓扑和弱拓扑绝缘体的拓扑量子临界点附近【PRX
4, 011002
。陈根富研究组的博士生赵凌霄生长出高质量ZrTe5单晶样品。潘庶亨研究组的博士生武睿以及丁洪研究组的博士生马均章和副研究员钱天分别利用扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱对ZrTe5单晶解理表面电子态进行测量。他们通过角分辨光电子能谱测量,发现ZrTe5垂直表面的电子结构只有很弱的色散,表明其层间耦合很弱。角分辨光电子能谱观测到价带和能带在布里渊区Gamma点费米能级处形成一个100meV的能隙,并且在能隙中没有表面态。低温扫描隧道显微谱测量确定了在ZrTe5单晶表面远离台阶处,能隙中态密度为零。这些实验不仅确定了ZrTe5是弱拓扑绝缘体,而且揭示了绝缘的体态,这对于进一步的量子自旋霍尔效应的观测和实际应用非常重要。扫描隧道显微谱进一步观测到在台阶处的能隙内有几乎为常数的有限态密度。方忠、戴希研究组的博士生聂思敏和副研究员翁红明进行了第一性原理计算,计算结果与实验结果非常吻合,并证实了表面台阶处边界态的拓扑非平庸性质。

二维拓扑绝缘体具有量子自旋霍尔效应,有望在未来低功耗自旋电子器件具有应用前景。它的体能带是具有带隙的半导体,边界处具有拓扑保护的无带隙金属态,并具有自旋-动量锁定特性。自从量子自旋霍尔效应在HgTe/CdTe量子阱中被发现以来,研究人员正在着力寻找可以实际应用的2DTI材料。然而,寻找一种结构稳定的真正意义的二维拓扑绝缘体具有很大的挑战。2014年,MIT理论研究组在理论上预测【Qian
et al., Science 346, 1344单层的1
T’-相过渡金属硫属化合物是一类新的二维拓扑绝缘体材料。这类新的拓扑材料结构稳定,有可观的体带隙,并且其拓扑性可以被电场调控,适于构建范德瓦尔斯逻辑开关器件。

402cc永利手机版 2402cc永利手机版,图一:
ZrTe5的晶体结构; 4K下获得的ZrTe5表面的台阶形貌,面积为25x25
nm2;\ ZrTe5表面的原子分辨形貌,面积为8x8\ nm2;\ 在ZrTe5表面获得的局域态密度信息显示100meV的能隙。

图4:STS测量揭示表面台阶处能隙中几乎常数的有限态密度,表明台阶处存在边界态。计算结果与实验结果吻合,并且证实了边界态的拓扑性质。

相关研究成果于2018年10月4日以”Observation of Coulomb gap in the quantum
spin Hall candidate single-layer
1T’-WTe2”为题发表于《自然.通讯》(

二维拓扑绝缘体由于具有量子自旋霍尔效应而最近备受学术界的关注。二维拓扑绝缘体的特点是,具有带隙的体能带结构和拓扑保护的一维边界态。在实验上寻找结构稳定的大能隙二维拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域的一个研究热点,致力于提高量子自旋霍尔效应的工作温度。近年来,很多研究工作都聚焦于ZrTe5,
该材料很有可能是一种良好的二维拓扑绝缘体。然而ZrTe5的三维体相的拓扑性质却存在极大的争议。理论计算表明体相ZrTe5是弱拓扑绝缘体或者强拓扑绝缘体,而大量的实验结果显示ZrTe5的体相具有半金属行为。在本工作中,我们首次利用高分辨的扫描隧道显微技术在实空间的原子尺度上精确表征了ZrTe5的体态和边界态,并发现在表面台阶处具有一维的拓扑边界态,而体能带具有100
meV左右的带隙,从而证实了ZrTe5是一种新的大带隙二维拓扑绝缘体。另外,我们还在实验上首次观察到了一维拓扑边界态在磁场下的响应。在外磁场作用下,能量简并的一维边界态发生了能量劈裂。这种边界态在能量上的劈裂与其体能带在磁场下的变化有密切的关系,并且与理论模型相吻合。

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