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研究動態
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付英雙教授團隊在狄拉克半金屬的拓撲相變研究方面取得進展
發布時間:2019-09-05

201989日,我院付英雙教授領導的低維物理與量子材料實驗室團隊在《ACS Nano》上發表了題為《狄拉克半金屬Na3Bi薄膜的維度轉變及拓撲量子相變》(Dimensional crossover and topological phase transition in Dirac semimetal Na3Bi films)的文章财富彩票手机客户端,他們提出通過控制薄膜的層厚來調控量子材料的拓撲和物態性質。我院2017級博士生夏惠南和清華大學物理系博士生李洋為論文共同第一作者,付英雙教授财富彩票手机客户端、張文號副教授和清華大學徐勇教授為論文共同通訊作者。

拓撲狄拉克半金屬如Cd3As2财富彩票手机客户端财富彩票手机客户端、Na3Bi擁有三維的狄拉克費米子,其能帶在狄拉克點附近沿著三個動量方向都是線性色散的。由于狄拉克半金屬毗鄰很多其他的量子態如拓撲絕緣體财富彩票手机客户端,拓撲超導體等,因此通過引入打破對稱性的操作可以調控拓撲狄拉克半金屬的各類相變,如應力、摻雜、外加電場等。降低維度也是一種調控方式,理論預言當Na3Bi薄膜的厚度小于7層時,將從拓撲絕緣體轉變平庸絕緣體。與之相反,2018年的理論計算表明:單層的Na3Bi將是受雙重拓撲保護的拓撲絕緣體。因此,拓撲狄拉克半金屬是一個非常理想的體系來調控實現各種其他的量子態。然而财富彩票手机客户端,當前大部分對于Na3Bi的研究都是對體材料的研究,對于從三維轉向二維的過程以及層厚引起的拓撲相變研究較少。如何清楚的研究層厚引起相變的過程,對理解整個拓撲相變而言顯得十分重要。

最近财富彩票手机客户端,付英雙教授團隊用分子束外延技術,在石墨烯襯底上生長出原子級平整的Na3Bi薄膜,且層數精確可控财富彩票手机客户端。結合低溫掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜技術,他們系統研究了Na3Bi薄膜的電子結構和物態性質财富彩票手机客户端。實驗結果表明,Na3Bi薄膜表面會形成均勻的√3×√3重構表面财富彩票手机客户端,與理論計算的穩定結構相一致,重構對電子結構影響很小。實驗還發現财富彩票手机客户端,可以通過控制生長條件來實現對Na3Bi薄膜的化學勢調節。例如:可以增大Na的束流或在Na氣氛下退火將狄拉克的調控到費米能級之上,實現P型摻雜;也可降低Na的束流或在真空氣氛下成為N型載流子占主導。這種原位調控方法可以使摻雜效應從表面擴展至體內,并用來精準調控電中性點财富彩票手机客户端,為將來多場物性與輸運性質測量及調控打下良好的基礎。

低溫掃描隧道顯微鏡可以直接測量材料的電子態密度及其能量分布。層厚依賴的隧穿譜結果表明:當Na3Bi薄膜層數大于四層時表現為出半金屬態。而薄于四層時,Na3Bi薄膜會打開能隙财富彩票手机客户端,從拓撲半金屬轉變為絕緣體。其中三層和四層的能隙分別為7265 meV财富彩票手机客户端,遠高于室溫能量尺度(26 meV)。高分辨的準粒子干涉條紋圖樣也證實了Na3Bi薄膜存在狄拉克錐形的能帶色散結構,并在小于四層時打開了能隙。與此同時,Na3Bi薄膜的邊界也觀察到了不依賴于邊界結構的一維邊緣態,其空間擴展長度~4 nm。結合第一性原理計算,證實該邊緣態具有拓撲屬性财富彩票手机客户端财富彩票手机客户端,Na3Bi薄膜小于四層時是一個二維拓撲絕緣體。該團隊通過成功調控拓撲半金屬的維度自由度和載流子特性,為研究拓撲材料豐富的奇異物性提供新的平臺和途徑,包括實現高溫量子自旋霍爾輸運财富彩票手机客户端,操控拓撲邊界態的相互耦合以及拓撲量子相變等,同時也有助于未來拓撲器件的應用财富彩票手机客户端财富彩票手机客户端。

該工作得到科技部重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。該論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.9b04933.

                                             

圖:Na3Bi薄膜隨層厚變化的電子態密度(左),準粒子干涉條紋及其有能隙的狄拉克錐形能帶色散結構(中),3Na3Bi薄膜的拓撲邊緣態(右)财富彩票手机客户端。


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