北理工團(tuán)隊(duì)關(guān)于鍺烯中拓?fù)湮镄缘睦碚擃A(yù)測(cè)獲得證實(shí)
發(fā)布日期：2023-05-18 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士生劉一辰,、劉鋮鋮教授和姚裕貴教授與合作者,，包括荷蘭特文特大學(xué)Pantelis Bampoulis、Harold J.?W. Zandvliet教授及日本東京大學(xué)Motohiko Ezawa教授,，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了鍺烯中的量子自旋霍爾態(tài)及拓?fù)湎嘧?。該成?月12日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，并被選為該期的封面文章(Cover)和編輯推薦(Editors' Suggestion),，同時(shí)也被美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站專題評(píng)論報(bào)道,。該工作證實(shí)了姚裕貴團(tuán)隊(duì)12年前的理論預(yù)言【Quantum Spin Hall Effect in Silicene and Two-Dimensional Germanium, Cheng-Cheng Liu, Wanxiang Feng and Yugui Yao, Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011) SCI引用1894次；Low-energy effective Hamiltonian involving spin-orbit coupling in silicene and two-dimensional germanium and tin, Cheng-Cheng Liu, Hua Jiang and Yugui Yao, Phys. Rev. B 84, 195430 (2011) SCI引用988次】,。
量子自旋霍爾絕緣體即二維的拓?fù)浣^緣體是由時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的拓?fù)淞孔討B(tài),，其體態(tài)是絕緣的，而邊界具有魯棒的金屬態(tài),，在低功耗器件,、自旋電子學(xué)和拓?fù)淞孔佑?jì)算等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。2011年姚裕貴團(tuán)隊(duì)率先指出類石墨烯體系－硅烯,、鍺烯,、錫烯是二維拓?fù)浣^緣體，并預(yù)言在該類二維材料中可在更高溫度下觀測(cè)到量子自旋霍爾效應(yīng)【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，Phys. Rev. B 84, 195430 (2011)】,，該工作開(kāi)啟了在二維材料中設(shè)計(jì)及搜尋大能隙量子自旋霍爾絕緣體的先河,。硅烯、鍺烯,、錫烯具有與石墨烯類似的蜂窩狀結(jié)構(gòu),，但存在起伏。與石墨烯相比,，硅烯,、鍺烯、錫烯具有更強(qiáng)的自旋軌道耦合,、能隙易調(diào)節(jié)、谷自由度易極化,、且與當(dāng)代成熟的硅基半導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)勢(shì),，預(yù)計(jì)在未來(lái)的自旋電子學(xué)和納米電子學(xué)器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
在該工作中,，研究人員利用低溫掃描隧道顯微鏡/掃描隧道譜,、密度泛函理論和緊束縛計(jì)算來(lái)證明Ge2Pt(101)上的外延鍺烯是一種具有起伏狀蜂窩結(jié)構(gòu)的量子自旋霍爾絕緣體。在其量子自旋霍爾效應(yīng)狀態(tài)下,，鍺烯的拓?fù)涮卣髟谟诖嬖隗w能隙和金屬性的拓?fù)溥吘墤B(tài)（圖1）,。他們同時(shí)控制STM針尖到樣品隧道結(jié)中的內(nèi)置電場(chǎng)以改變鍺烯的拓?fù)錉顟B(tài)：在臨界電場(chǎng)時(shí)，鍺烯的拓?fù)淠芟稌?huì)閉合,，體系轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浒虢饘?；而?dāng)電場(chǎng)超過(guò)臨界值時(shí)，鍺烯會(huì)打開(kāi)拓?fù)淦接沟膸?，并伴隨著拓?fù)溥吘墤B(tài)的消失（圖2,、圖3）。該工作給出了單元素量子自旋霍爾絕緣體中拓?fù)湎嘧兊牡谝粋€(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù),。這種由電場(chǎng)引起的拓?fù)錉顟B(tài)切換和相當(dāng)大的體能隙使鍺烯成為室溫拓?fù)渚w管的候選材料,。
圖1. 鍺烯樣品形貌及其體能隙和拓?fù)溥吘墤B(tài)
圖2. 外電場(chǎng)調(diào)控鍺烯的體能隙的閉合和打來(lái)
圖3. 外電場(chǎng)誘導(dǎo)鍺烯的拓?fù)溥吘墤B(tài)可逆的消失和出現(xiàn)
文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.196401
美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站對(duì)本工作進(jìn)行專題評(píng)論報(bào)道：https://physics.aps.org/articles/v16/s66
早期理論工作鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.107.076802
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.84.195430
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