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吳惠楨課題組、袁輝球課題組合作發現一種實現拓撲晶體絕緣體的新途徑

編輯:phyzhch 時間:2018年08月08日 訪問次數:3654

      拓撲絕緣體自發現以來,不僅讓人們對凝聚態物質有了更加深刻和全面的認識,而且以新奇的物理特性展現了在無耗散電子器件、自旋電子器件以及量子計算中應用的迷人前景。拓撲絕緣體在體內與通常認識的普通(平庸)絕緣體相似,但是它的邊界或表面總是存在著導電的邊緣態,該邊緣態由對稱性保護、可穩定存在,并且不同自旋的導電電子運動方向相反,因此可以通過自旋來傳遞信息,而不像傳統半導體那樣通過電荷傳遞信息。從物理機制上講,拓撲絕緣體是時間反演對稱性保護的拓撲態,而受晶格對稱性保護的拓撲態被稱為拓撲晶體絕緣體。相比于拓撲絕緣體,拓撲晶體絕緣體不受自旋-軌道耦合和時間反演對稱性要求的束縛,這就減少了在真實晶體材料中實現拓撲晶體絕緣體的難度,使其更具應用前景。

      在2011年由L.Fu等(Phys. Rev. Lett., 2011)提出拓撲晶體絕緣體的概念后不久,就有理論預言碲化錫(SnTe)是拓撲晶體絕緣體,它很快就被不同的實驗所證實。碲化鉛(PbTe)與SnTe很相似,都屬于傳統的IV-VI族化合物窄帶隙半導體,但是理論和實驗都表明本征PbTe只是平庸絕緣體,一個重要問題是能否通過物理調控把它轉化為拓撲晶體絕緣體?對于這個問題曾有理論預言,通過施加應力或者形成合金等手段可以使普通絕緣體PbTe轉變為拓撲晶體絕緣體,其中的關鍵在于實現PbTe能帶的反轉,例如,在PbTe中摻入SnTe形成PbSnTe合金,當Sn的組分超過臨界值時它就變成拓撲晶體絕緣體,對通過壓力使PbTe量子相變成拓撲晶體絕緣體的預言則尚無實驗證據。SnTe拓撲晶體絕緣體存在一個明顯缺點,即容易形成Sn空位缺陷使SnTe具有高塊體載流子濃度,其對表面拓撲態輸運特性的影響較大。因此找到其它方法來引發晶體能帶反轉、實現新的拓撲晶體絕緣體對于擴大拓撲晶體絕緣體家族是很有意義的。

最近,浙江大學物理學系吳惠楨課題組、袁輝球課題組和材料科學與工程學院的陸赟豪課題組合作提出了在PbTe晶體中引入碲反位 (TePb) 本征缺陷可引發能帶反轉的思想、并從實驗上實現了一種新拓撲晶體絕緣體, 論文共同第一作者為浙江大學物理系博士研究生馬嵩松和郭春雨。該研究團隊首先通過第一性原理計算預言了TePb缺陷引起PbTe能帶反轉和在高對稱面上拓撲表面態的存在;實驗上,他們通過分子束外延技術獲得了TePb本征缺陷摻雜的[111]取向PbTe薄膜,然后在低溫、強磁場下進行了量子輸運實驗,量子振蕩實驗確認了表面態的貝里相位是非平庸的,即表面電子具有狄拉克費米子特性,從而在實驗上證明了拓撲表面態的存在。進一步壓力下的PbTe: TePb量子輸運實驗發現施加壓力會增大反轉的能隙,從而減弱塊體載流子對于整體輸運的貢獻。該項研究工作所發展的本征缺陷調控材料拓撲性質的方法可以應用于其他晶體材料,尤其是第VI主族化合物,從而可能幫助人們實現更多的拓撲材料。該項研究成果發表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201803188) 。

浙江大學物理系吳惠楨研究小組與袁輝球研究小組在拓撲絕緣體研究領域進行了多年合作、取得了系列研究成果,2015年他們一起與美國三個研究機構合作發現了CdTe/PbTe半導體異質結二維電子氣的狄拉克電子體系性質,研究成果發表在Nano Letters期刊上[DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01605],論文題目“Quantum Oscillations in a Two-Dimensional Electron Gas at the Rocksalt/Zincblende Interface of PbTe/CdTe (111) Heterostructures”。他們的合作研究工作還在繼續深入之中,并獲得了一些新的研究結果。