北理工團(tuán)隊(duì)在高階拓?fù)浜土孔狱c(diǎn)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-11-01 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,、余智明團(tuán)隊(duì)基于拓?fù)浣菓B(tài)，提出了一種全新的電子學(xué)概念：角態(tài)電子學(xué),，并揭示其在量子點(diǎn)領(lǐng)域中有重要的潛在應(yīng)用,。該工作以“Cornertronics in Two-Dimensional Second-Order Topological Insulators”為題發(fā)表于物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》。
在物理學(xué)中,，自由度是反映系統(tǒng)參數(shù)的基本概念,。傳統(tǒng)電子器件利用電子的電荷自由度來處理信息。在電子器件中引入自旋和能谷自由度,，可以極大地?cái)U(kuò)展電子器件的功能,，并導(dǎo)致自旋電子學(xué)和能谷電子學(xué)的興起與發(fā)展。在物理上,，每個(gè)自由度都具備獨(dú)特的物性,，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)電子器件提供新的可能。因此,，在新的物理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)新型自由度并揭示其中的新奇物性,，一直是凝聚態(tài)物理研究中的核心之一。
最近,，高階拓?fù)浣^緣體受到人們的廣泛關(guān)注,。很多材料在理論上被預(yù)言為高階拓?fù)浣^緣體，且部分材料也已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。對(duì)于二維二階拓?fù)浣^緣體,，其納米盤的角落處可以出現(xiàn)拓?fù)浣菓B(tài),。然而，對(duì)拓?fù)浣菓B(tài)的物性和調(diào)控研究一直比較遲滯,。此外,，荷載拓?fù)浣菓B(tài)的納米盤本質(zhì)上是一種新型的高階拓?fù)淞孔狱c(diǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)首先從理論上提出角層耦合的概念以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控拓?fù)浣菓B(tài),，如圖1所示,。基于對(duì)稱性分析,，團(tuán)隊(duì)給出了可以具有角層耦合的層點(diǎn)群列表，并預(yù)測(cè)單層TiSiCO家族材料是具有角層耦合效應(yīng)的二維二階拓?fù)浣^緣體,，如圖2（c-d）所示,。由于角層耦合，單層TiSiCO的拓?fù)浣菓B(tài)可以通過電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的,、大范圍的和可切換的控制,，如圖2（f）所示。此外,，單層TiSiCO納米盤在每一個(gè)角落有多組拓?fù)浣菓B(tài),。這些拓?fù)浣菓B(tài)間的能隙大小為太赫茲量級(jí)，因此可通過太赫茲波段的線偏振光進(jìn)行激發(fā),。更為重要的是,，X角落和Y角落處的拓?fù)浣菓B(tài)的光學(xué)響應(yīng)具有角相反的選擇規(guī)則，即：激發(fā)X角落和Y角落拓?fù)浣菓B(tài)的線偏振光的偏振方向是相互垂直的,，如圖3所示,。這些特殊的光學(xué)性質(zhì)表明，由單層TiSiCO納米盤構(gòu)成的新型高階拓?fù)淞孔狱c(diǎn)可以很自然地探測(cè)太赫茲波的光強(qiáng)和偏振,。相較而言,，使用傳統(tǒng)量子點(diǎn)探測(cè)太赫茲波需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)和工藝、且一般不能直接探測(cè)太赫茲波的偏振,。此外,，高階拓?fù)淞孔狱c(diǎn)還具有能隙對(duì)體系尺寸不敏感的優(yōu)點(diǎn)，如圖4所示,。因此,，研究團(tuán)隊(duì)提出的角態(tài)電子學(xué)和高階拓?fù)淞孔狱c(diǎn)為設(shè)計(jì)具有可調(diào)諧帶隙的新型太赫茲器件和角態(tài)電子學(xué)器件提供全新的可能，具有重要的研究和應(yīng)用意義,。
圖1. （a）二維二階拓?fù)浣^緣體納米盤中的角層耦合,。（b）通過電場(chǎng)調(diào)控拓?fù)浣菓B(tài)
圖2. （a-b）單層TiSiCO沿紅色路徑計(jì)算的Wilson loop。（c）單層TiSiCO納米盤在不同電場(chǎng)下的能級(jí)。（d）Ez = 0 時(shí)最低一組角態(tài)的實(shí)空間電荷密度分布,。（e）Ez = 0.05 eV/? 時(shí)1X和1Y角態(tài)的實(shí)空間電荷密度分布,。（f）1X與1Y角態(tài)間的能量差隨電場(chǎng)的變化。
圖3. 單層TiSiCO的X和Y角態(tài)具有相反的光學(xué)選擇規(guī)則,。
圖4. (a) 單層TiSiCO納米盤的限域能隨體系尺寸變化,。(b) n="7的單層TiSiCO納米盤在不同電場(chǎng)下的能級(jí)。
北京理工大學(xué)是該工作的第一單位和唯一通訊單位,。該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的大力支持,。北京理工大學(xué)物理學(xué)院的姚裕貴教授和余智明教授為論文的共同通訊作者，韓依琳博士生和崔朝喜博士生為論文的共同第一作者,。
文章信息：
Yilin Han#, Chaoxi Cui#, Xiao-Ping Li, Ting-Ting Zhang, Zeying Zhang, Zhi-Ming Yu*, and Yugui Yao*; “Cornertronics in Two-Dimensional Second-Order Topological Insulators”, Physical Review Letters, 133, 176602 (2024).
文章鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.176602
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