北理工團隊與普林斯頓大學合作發現室溫量子自旋霍爾邊緣態存在的證據
發布日期：2022-07-16 供稿：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院姚裕貴團隊與普林斯頓M. Zahid Hasan團隊等合作，在高質量的Bi4Br4單晶材料表面觀察到室溫下的量子自旋霍爾邊緣態，在實驗上驗證了姚裕貴團隊于八年前提出的理論預言[Nano Lett. 14, 4767 (2014), NJP 17, 015004 (2015)]，也為進一步實現室溫下的量子自旋霍爾效應帶來了希望。相關結果發表在近期的Nature Materials上，姚裕貴團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絕緣、邊緣導電的二維新奇體系，其邊緣態是由體態拓撲性質導致的，不會受到非磁雜質的背散射，可實現理想的無耗散導電通道，在低能耗電子器件中有著巨大的應用前景。尋找和實現室溫下的量子自旋霍爾絕緣體及其邊緣態是通向相關器件應用的關鍵，姚裕貴團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室溫下的量子自旋霍爾效應。2014年姚裕貴教授和博士生周金健等預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單晶是具有層狀結構的半導體，層間耦合是弱的范德瓦爾斯作用，理論計算發現其單層結構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)]。研究還發現Bi4Br4是探測室溫量子自旋霍爾絕緣態的絕佳材料體系，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耦合很弱，這種準一維結構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可以穩定地存在于單晶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：理論上發現單晶beta-Bi4Br4和beta-Bi4I4是弱拓撲絕緣體[PRL 116, 066801 (2016)]并被發表在Nature上的實驗工作所證實；團隊還迅速制備了高質量的Bi4Br4單晶，并獲得了專利；利用高壓技術，在壓力調控下同時觀測到超導現象和拓撲性質，表明該體系有可能是拓撲超導體[PNAS 116, 17696 (2019]；結合光學技術，發現邊緣存在較強的紅外吸收，且拓撲邊緣態上激發載流子壽命遠長于體態，表明該材料有應用于紅外光學和光電探測的潛力; 把Bi4Br4作為飽和吸收體應用到光纖激光器中，得到穩定的紅外脈沖激光輸出[APL 120, 053108 (2022)]. 更多相關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)]。
最近姚裕貴團隊和普林斯頓大學團隊合作，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，驗證了團隊于2014年提出的理論預測。姚裕貴團隊利用自助熔的方法制備高質量的Bi4Br4單晶樣品，STM測量結果顯示Bi4Br4的體態具有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的零能隙邊緣態，如圖2(d)所示，表明拓撲體態-邊緣對應。進一步外加磁場可以使得零能隙邊緣態產生一個能隙，這與固有的時間反演對稱保護相一致，如圖2(e)-(f)所示。最后通過觀察不同溫度下的邊緣態，我們發現即便在300K的室溫，這種邊緣態依然存在，如圖3所示。這一發現將進一步推動Bi4Br4材料中高溫輸運量子化行為的探索，并為該材料未來的實際應用提供堅實材料和物理基礎。
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的證據以及邊緣態隨外加磁場的響應
圖3 觀察到室溫量子自旋霍爾邊緣態
本工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、中科院先導項目等相關項目的支持。
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