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《Physical Review Letters》發(fā)表我校李紹春教授課題組、陳延彬副教授課題組關(guān)于二維拓?fù)浣^緣體的最新研究成果

作者： 來源： 發(fā)布時(shí)間：2016年04月29日 點(diǎn)擊數(shù)：

物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南京微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的李紹春教授與陳延彬副教授合作，在表征二維拓?fù)浣^緣體方面取得了重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以《Experimental Observation of Topological Edge States at the Surface Step Edge of the Topological Insulator ZrTe5》為題，于2016年04月28日在線發(fā)表在Physical Review Letters [PRL 116, 176803 (2016)]。南京大學(xué)物理學(xué)院博士生李向兵，已畢業(yè)碩士生黃文凱，和工學(xué)院博士生呂洋洋為論文的共同第一作者。李紹春教授和陳延彬副教授為論文的共同通訊作者。南京大學(xué)陳延峰教授和邢定鈺院士指導(dǎo)了本文工作。邢定鈺院士在論文的寫作方面給予了大力的支持。其它單位的參與者包括清華大學(xué)的薛其坤院士和上海交通大學(xué)的賈金鋒教授。

二維拓?fù)浣^緣體由于具有量子自旋霍爾效應(yīng)而最近備受學(xué)術(shù)界的關(guān)注。二維拓?fù)浣^緣體的特點(diǎn)是，具有帶隙的體能帶結(jié)構(gòu)和拓?fù)浔Ｗo(hù)的一維邊界態(tài)。在實(shí)驗(yàn)上尋找結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的大能隙二維拓?fù)浣^緣體是當(dāng)前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，致力于提高量子自旋霍爾效應(yīng)的工作溫度。近年來，很多研究工作都聚焦于ZrTe5, 該材料很有可能是一種良好的二維拓?fù)浣^緣體。然而ZrTe5的三維體相的拓?fù)湫再|(zhì)卻存在極大的爭議。理論計(jì)算表明體相ZrTe5是弱拓?fù)浣^緣體或者強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，而大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示ZrTe5的體相具有半金屬行為。在本工作中，我們首次利用高分辨的掃描隧道顯微技術(shù)在實(shí)空間的原子尺度上精確表征了ZrTe5的體態(tài)和邊界態(tài)，并發(fā)現(xiàn)在表面臺(tái)階處具有一維的拓?fù)溥吔鐟B(tài)，而體能帶具有100 meV左右的帶隙，從而證實(shí)了ZrTe5是一種新的大帶隙二維拓?fù)浣^緣體。另外，我們還在實(shí)驗(yàn)上首次觀察到了一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)在磁場下的響應(yīng)。在外磁場作用下，能量簡并的一維邊界態(tài)發(fā)生了能量劈裂。這種邊界態(tài)在能量上的劈裂與其體能帶在磁場下的變化有密切的關(guān)系，并且與理論模型相吻合。

ZrTe5材料具有高質(zhì)量的單晶性和理想的一維表面臺(tái)階結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步研究基于二維拓?fù)浣^緣體界面的奇異物理現(xiàn)象提供了良好的材料平臺(tái)，比如探尋Majorana費(fèi)米子或者反常量子霍爾效應(yīng)等等。圖一顯示了ZrTe5表面的臺(tái)階結(jié)構(gòu)和原子分辨的形貌；圖二顯示了實(shí)驗(yàn)上測量得到的臺(tái)階處一維邊界態(tài)和體帶隙。

 

 

圖一：(a) ZrTe5的晶體結(jié)構(gòu)；(b) 4K下獲得的ZrTe5表面的臺(tái)階形貌，，面積為25x25 nm2；(c) ZrTe5表面的原子分辨形貌，面積為8x8 nm2；(d) 在ZrTe5表面獲得的局域態(tài)密度信息顯示100meV的能隙。

 

圖二：(a) 在ZrTe5表面臺(tái)階處測量的微分電導(dǎo)（局域態(tài)密度）；(b) 圖(a)的快速傅立葉變換結(jié)果；(c) 邊界態(tài)在不同能量位置的穿透深度；(d) 體相（黑色）和邊界處（紅色）的局域態(tài)密度比較；(e) 邊界態(tài)沿著表面臺(tái)階分布的一維性質(zhì)。

本工作的完成得益于南京大學(xué)在三個(gè)方面的完美合作，包括高質(zhì)量單晶樣品的制備（陳延彬、陳延峰），高分辨的低溫掃描隧道顯微術(shù)表征（李紹春）和理論模型的支持（盛利、邢定鈺）。

工作得到國家科技部、自然科學(xué)基金委、青年千人計(jì)劃、以及中央高校經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的支持。

（物理學(xué)院 科學(xué)技術(shù)處）

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