北理工團(tuán)隊與普林斯頓大學(xué)合作發(fā)現(xiàn)室溫量子自旋霍爾邊緣態(tài)存在的證據(jù)
發(fā)布日期：2022-07-16 供稿：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴團(tuán)隊與普林斯頓M. Zahid Hasan團(tuán)隊等合作,，在高質(zhì)量的Bi4Br4單晶材料表面觀察到室溫下的量子自旋霍爾邊緣態(tài),，在實驗上驗證了姚裕貴團(tuán)隊于八年前提出的理論預(yù)言[Nano Lett. 14, 4767 (2014), NJP 17, 015004 (2015)]，也為進(jìn)一步實現(xiàn)室溫下的量子自旋霍爾效應(yīng)帶來了希望。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近期的Nature Materials上，姚裕貴團(tuán)隊成員王秩偉研究員為文章共同一作,。
量子自旋霍爾絕緣體是一類體態(tài)絕緣、邊緣導(dǎo)電的二維新奇體系,，其邊緣態(tài)是由體態(tài)拓?fù)湫再|(zhì)導(dǎo)致的,，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,，在低能耗電子器件中有著巨大的應(yīng)用前景,。尋找和實現(xiàn)室溫下的量子自旋霍爾絕緣體及其邊緣態(tài)是通向相關(guān)器件應(yīng)用的關(guān)鍵，姚裕貴團(tuán)隊及其合作者十多年來一直致力于尋找和研究大能隙的量子自旋霍爾絕緣體實現(xiàn)室溫下的量子自旋霍爾效應(yīng),。2014年姚裕貴教授和博士生周金健等預(yù)言了一種可行的大能隙量子自旋霍爾絕緣體材料，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(yuǎn)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(tuán)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beta-Bi4Br4和beta-Bi4I4是弱拓?fù)浣^緣體[PRL 116, 066801 (2016)]并被發(fā)表在Nature上的實驗工作所證實,；團(tuán)隊還迅速制備了高質(zhì)量的Bi4Br4單晶，并獲得了專利,；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?fù)湫再|(zhì)，表明該體系有可能是拓?fù)涑瑢?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(qiáng)的紅外吸收,，且拓?fù)溥吘墤B(tài)上激發(fā)載流子壽命遠(yuǎn)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; 把Bi4Br4作為飽和吸收體應(yīng)用到光纖激光器中,，得到穩(wěn)定的紅外脈沖激光輸出[APL 120, 053108 (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)],。
最近姚裕貴團(tuán)隊和普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊合作，利用矢量磁場和變溫STM在Bi4Br4樣品表面觀察到室溫量子自旋霍爾態(tài),，驗證了團(tuán)隊于2014年提出的理論預(yù)測,。姚裕貴團(tuán)隊利用自助熔的方法制備高質(zhì)量的Bi4Br4單晶樣品，STM測量結(jié)果顯示Bi4Br4的體態(tài)具有260 meV的絕緣能隙,，如圖1(e)所示,；而在單層臺階邊緣處具有能隙內(nèi)的零能隙邊緣態(tài)，如圖2(d)所示,，表明拓?fù)潴w態(tài)-邊緣對應(yīng),。進(jìn)一步外加磁場可以使得零能隙邊緣態(tài)產(chǎn)生一個能隙，這與固有的時間反演對稱保護(hù)相一致,，如圖2(e)-(f)所示,。最后通過觀察不同溫度下的邊緣態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)即便在300K的室溫,，這種邊緣態(tài)依然存在,，如圖3所示。這一發(fā)現(xiàn)將進(jìn)一步推動Bi4Br4材料中高溫輸運(yùn)量子化行為的探索,，并為該材料未來的實際應(yīng)用提供堅實材料和物理基礎(chǔ),。
圖1 觀察到一個很大（大約260meV）的絕緣能隙
圖2 量子自旋霍爾邊緣態(tài)的證據(jù)以及邊緣態(tài)隨外加磁場的響應(yīng)
圖3 觀察到室溫量子自旋霍爾邊緣態(tài)
本工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目,、中科院先導(dǎo)項目等相關(guān)項目的支持,。
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