北理工團隊在拓撲棱態(tài)的量子輸運方面研究取得新突破
發(fā)布日期：2024-03-04 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)：近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴團隊與普林斯頓大學(xué)Hasan團隊、德克薩斯大學(xué)達拉斯分校Bing Lv團隊,、清華大學(xué)楊樂仙團隊等合作，通過電輸運測量和角分辨光電子能譜技術(shù)在拓撲絕緣體α-Bi4Br4中相繼探測到拓撲棱態(tài)模式,，這是首次在實驗上觀察到與拓撲棱態(tài)相關(guān)的量子效應(yīng),，對于深入理解拓撲物態(tài)的性質(zhì)以及推動拓撲材料的應(yīng)用具有重要意義。
拓撲絕緣體是一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，其內(nèi)部是絕緣的,，但表面或邊緣卻具有導(dǎo)電性,，并且這種表面或邊緣態(tài)不會受到非磁雜質(zhì)的背散射，可實現(xiàn)理想的無耗散導(dǎo)電通道,，在低能耗電子器件,、自旋電子學(xué)和量子計算等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。然而,，要深入了解拓撲絕緣體的性質(zhì)并推動其應(yīng)用,，就需要發(fā)現(xiàn)性能優(yōu)良的拓撲材料，并對拓撲態(tài)進行精確的測量和控制,。雖然之前人們已經(jīng)對大量的二維表面態(tài)的輸運響應(yīng)進行了研究,，但一維拓撲棱態(tài)的量子輸運響應(yīng)尚未得到證實。姚裕貴團隊及其合作者十多年來一直致力于尋找和研究具有優(yōu)良性能（比如大能隙,、Dirac點位于費米能級附近等）的拓撲絕緣體材料體系,，如2014年他們預(yù)言了一種可行的大能隙拓撲絕緣體材料，即Bi4Br4和Bi4I4體系,。Bi4Br4單晶是具有層狀結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體,，層間耦合是弱的范德瓦爾斯作用，理論計算發(fā)現(xiàn)其單層結(jié)構(gòu)是量子自旋霍爾絕緣體且體能隙遠高于室溫條件[Nano Lett. 14, 4767 (2014)],。研究還發(fā)現(xiàn)Bi4Br4是探測室溫量子自旋霍爾絕緣態(tài)的絕佳材料體系,，一方面單層Bi4Br4是由無限長的一維鏈并排組成，鏈間的耦合相比鏈內(nèi)耦合很弱,，這種準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)特性有利于形成原子級平整的邊緣,，另一方面，由于極弱的層間耦合,，量子自旋霍爾絕緣態(tài)可以穩(wěn)定地存在于單晶Bi4Br4表面的臺階邊緣上[NJP 17, 015004 (2015)],。
此后，依托學(xué)校量子物理實驗中心平臺,，姚裕貴團隊對Bi4Br4和Bi4I4體系展開了全鏈條式的理論與實驗研究：理論上發(fā)現(xiàn)單晶β-Bi4Br4和β-Bi4I4是弱拓撲絕緣體[PRL 116, 066801 (2016)],，并被發(fā)表在Nature上的實驗工作證實；團隊迅速制備了高質(zhì)量的Bi4Br4單晶,，并獲得了生長專利的授權(quán),；利用高壓技術(shù)，在壓力調(diào)控下同時觀測到超導(dǎo)現(xiàn)象和拓撲性質(zhì),，表明該體系有可能是拓撲超導(dǎo)體[PNAS 116, 17696 (2019],；結(jié)合光學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)邊緣存在較強的紅外吸收,，且拓撲邊緣態(tài)上激發(fā)載流子壽命遠長于體態(tài),，表明該材料有應(yīng)用于紅外光學(xué)和光電探測的潛力[Sci. Bull. 68, 417 (2023)]; 把Bi4Br4作為飽和吸收體應(yīng)用到光纖激光器中，得到了穩(wěn)定的紅外脈沖激光輸出[APL 120, 053108 (2022)]；與合作者共同發(fā)現(xiàn)了室溫量子自旋霍爾邊緣態(tài)的實驗證據(jù)[Nature Materials 21, 1111 (2022)]. 更多相關(guān)工作見姚裕貴教授受邀撰寫該體系的研究綜述[Adv. in Phys. X, 7:1, 2057234 (2022)],。
近期物理學(xué)院姚裕貴教授,、周金健教授、韓俊峰教授等人與清華大學(xué)楊樂仙團隊及合作者等利用亞微米空間及自旋分辨的角分辨光電子能譜研究了α-Bi4Br4的表面電子結(jié)構(gòu),，并首次在（100）表面上觀察到具有劈裂特征的表面態(tài)和表面態(tài)能隙,。研究還發(fā)現(xiàn)表面態(tài)的自旋動量鎖定特征，以及表面態(tài)的能隙內(nèi)存在額外的無能隙電子態(tài),，表明體系內(nèi)存在一維拓撲棱態(tài),。實驗結(jié)果與第一性原理計算高度吻合，為α-Bi4Br4的高階拓撲絕緣相提供了令人信服的證據(jù),。研究成果發(fā)表于Nature Communications 14, 8089 (2023),。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43882-z
之后，姚裕貴教授,、王秩偉教授等人和普林斯頓大學(xué)團隊等合作,，利用量子輸運測量手段，通過對4層和6層α-Bi4Br4的磁阻測量,，觀察到振蕩周期性為h/e（其中h為普朗克常數(shù),，e為電子電荷）的Aharonov-Bohm振蕩現(xiàn)象，其中當(dāng)磁場與a軸夾角為17°時取得極值,，表明Aharonov-Bohm振蕩是由樣品bc面上棱態(tài)的相干載流子產(chǎn)生,，是電子圍繞拓撲棱態(tài)運動時產(chǎn)生的量子干涉的結(jié)果，這為拓撲棱態(tài)的存在及其載流子的量子輸運行為提供了直接證據(jù),。圖1和圖2分別是4層和6層α-Bi4Br4中觀測到的角度依賴的Aharonov–Bohm振蕩,。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近的Nature Physics (2024)。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02388-1
圖1. 在4層α-Bi4Br4中觀測到的角度依賴的Aharonov–Bohm振蕩,。
圖2. 在6層α-Bi4Br4中觀測到的Aharonov–Bohm振蕩,。
總之,，團隊成員和合作者通過不同研究手段對α-Bi4Br4拓撲絕緣體開展了深入研究,，從量子輸運測量上觀察到Aharonov-Bohm振蕩現(xiàn)象，首次從量子輸運測量上探測到了與拓撲棱態(tài)相對應(yīng)的量子現(xiàn)象,；通過ARPES測量觀察到一維拓撲棱態(tài)的存在,。這些發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對拓撲電子學(xué)的理解，也為未來拓撲電子器件的研發(fā)提供了新的方向,。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金項目,、國家重點研發(fā)計劃項目、北京自然科學(xué)基金等項目的支持,。
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