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北理工团队在拓扑棱态的量子输运方面研究取得新突破


近日,欧洲杯在线平台买球物理学院姚裕贵团队与普林斯顿大学Hasan团队、德克萨斯大学达拉斯分校Bing Lv团队、清华大学杨乐仙团队等合作,通过电输运测量和角分辨光电子能谱技术在拓扑绝缘体α-Bi4Br4中相继探测到拓扑棱态模式,这是首次在实验上观察到与拓扑棱态相关的量子效应,对于深入理解拓扑物态的性质以及推动拓扑材料的应用具有重要意义。

拓扑绝缘体是一种特殊的物质状态,其内部是绝缘的,但表面或边缘却具有导电性,并且这种表面或边缘态不会受到非磁杂质的背散射,可实现理想的无耗散导电通道,在低能耗电子器件、自旋电子学和量子计算等领域有着巨大的应用前景。然而,要深入了解拓扑绝缘体的性质并推动其应用,就需要发现性能优良的拓扑材料,并对拓扑态进行精确的测量和控制。虽然之前人们已经对大量的二维表面态的输运响应进行了研究,但一维拓扑棱态的量子输运响应尚未得到证实。姚裕贵团队及其合作者十多年来一直致力于寻找和研究具有优良性能(比如大能隙、Dirac点位于费米能级附近等)的拓扑绝缘体材料体系,如2014年他们预言了一种可行的大能隙拓扑绝缘体材料,即Bi4Br4和Bi4I4体系。Bi4Br4单晶是具有层状结构的半导体,层间耦合是弱的范德瓦尔斯作用,理论计算发现其单层结构是量子自旋霍尔绝缘体且体能隙远高于室温条件[Nano Lett. 14, 4767 (2014)]。研究还发现Bi4Br4是探测室温量子自旋霍尔绝缘态的绝佳材料体系,一方面单层Bi4Br4是由无限长的一维链并排组成,链间的耦合相比链内耦合很弱,这种准一维结构特性有利于形成原子级平整的边缘,另一方面,由于极弱的层间耦合,量子自旋霍尔绝缘态可以稳定地存在于单晶Bi4Br4表面的台阶边缘上[NJP 17, 015004 (2015)]。

此后,依托学校量子物理实验中心平台,姚裕贵团队对Bi4Br4和Bi4I4体系展开了全链条式的理论与实验研究:理论上发现单晶β-Bi4Br4和β-Bi4I4是弱拓扑绝缘体[PRL 116, 066801 (2016)],并被发表在Nature上的实验工作证实;团队迅速制备了高质量的Bi4Br4单晶,并获得了生长专利的授权;利用高压技术,在压力调控下同时观测到超导现象和拓扑性质,表明该体系有可能是拓扑超导体[PNAS 116, 17696 (2019];结合光学技术,发现边缘存在较强的红外吸收,且拓扑边缘态上激发载流子寿命远长于体态,表明该材料有应用于红外光学和光电探测的潜力[Sci. Bull. 68, 417 (2023)]; 把Bi4Br4作为饱和吸收体应用到光纤激光器中,得到了稳定的红外脉冲激光输出[APL 120, 053108 (2022)];与合作者共同发现了室温量子自旋霍尔边缘态的实验证据[Nature Materials 21, 1111 (2022)]. 更多相关工作见姚裕贵教授受邀撰写该体系的研究综述[Adv. in Phys. X, 7:1, 2057234 (2022)]。

近期物理学院姚裕贵教授、周金健教授、韩俊峰教授等人与清华大学杨乐仙团队及合作者等利用亚微米空间及自旋分辨的角分辨光电子能谱研究了α-Bi4Br4的表面电子结构,并首次在(100)表面上观察到具有劈裂特征的表面态和表面态能隙。研究还发现表面态的自旋动量锁定特征,以及表面态的能隙内存在额外的无能隙电子态,表明体系内存在一维拓扑棱态。实验结果与第一性原理计算高度吻合,为α-Bi4Br4的高阶拓扑绝缘相提供了令人信服的证据。研究成果发表于Nature Communications 14, 8089 (2023)。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-43882-z

之后,姚裕贵教授、王秩伟教授等人和普林斯顿大学团队等合作,利用量子输运测量手段,通过对4层和6层α-Bi4Br4的磁阻测量,观察到振荡周期性为h/e(其中h为普朗克常数,e为电子电荷)的Aharonov-Bohm振荡现象,其中当磁场与a轴夹角为17°时取得极值,表明Aharonov-Bohm振荡是由样品bc面上棱态的相干载流子产生,是电子围绕拓扑棱态运动时产生的量子干涉的结果,这为拓扑棱态的存在及其载流子的量子输运行为提供了直接证据。图1和图2分别是4层和6层α-Bi4Br4中观测到的角度依赖的Aharonov–Bohm振荡。相关结果发表在最近的Nature Physics (2024)。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41567-024-02388-1

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图1. 在4层α-Bi4Br4中观测到的角度依赖的Aharonov–Bohm振荡。

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图2. 在6层α-Bi4Br4中观测到的Aharonov–Bohm振荡。

总之,团队成员和合作者通过不同研究手段对α-Bi4Br4拓扑绝缘体开展了深入研究,从量子输运测量上观察到Aharonov-Bohm振荡现象,首次从量子输运测量上探测到了与拓扑棱态相对应的量子现象;通过ARPES测量观察到一维拓扑棱态的存在。这些发现不仅丰富了我们对拓扑电子学的理解,也为未来拓扑电子器件的研发提供了新的方向。

上述工作得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、北京自然科学基金等项目的支持。


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