用應力調控過渡金屬硫屬化合物的拓撲表面態及其朗道量子化(圖文)

發布者：眺望科技                     發布日期：2023-05-12

調控電子的多種量子自由度，例如自旋、谷、軌道、旋度等是構筑新型功能器件的物理基礎。擁有自旋軌道鎖定拓撲表面態的拓撲量子材料是一個研究調控拓撲保護量子態多自由度的理想材料體系。二維的拓撲表面態在強磁場下將會發生朗道量子化現象，利用朗道能級譜學，可以精細測量拓撲表面態量子自由度的變化，從而進一步調控量子自由度。近年來研究人員發現，過渡金屬硫屬化合物（TMDs）是一個含有豐富拓撲物性的體系。例如，TMDs材料NiTe²和PdTe²具有雙拓撲性質，它們既有一個第二類狄拉克錐，又有拓撲表面態。因此TMDs提供了一個調控拓撲保護量子態自由度的理想平臺。然而，基于TMDs的多量子自由度的調控，尚未實現。

  

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞研究團隊長期致力于探索新型低維層狀材料的原子級精準構筑與新奇量子態的調控。該團隊的陳輝副研究員等利用極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡，在三分之一氫化石墨烯精準構筑（Adv. Mater. 30, 1801838 (2018)）、石墨烯“折紙術”（Science 365, 1036 (2019)、磁性外爾半金屬自旋軌道極化子（Nat. Commun. 11, 5613 (2021)）、 “籠目”超導體配對密度波（Nature 599, 222 (2021) 等研究方向上取得了重要進展。

 

最近，高鴻鈞院士帶領的團隊研究了TMD拓撲半金屬材料NiTe²在應力調控下的多重朗道量子化現象。楊海濤研究員和博士生冼國裕生長了高質量的NiTe²單晶。陳輝副研究員和博士生黃子豪等利用極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜對NiTe²單晶表面進行了系統研究。他們發現，強磁場下在沒有應力的表面區域，NiTe²的自旋極化拓撲表面態發生朗道量子化，產生一套清晰的朗道能級（圖1）。在有應力的區域，他們觀測到朗道能級發生劈裂，出現多套朗道能級。通過分析發現，在單軸應（uniaxial strain）的NiTe²表面區域，存在兩套朗道能級（圖2）；更進一步，他們發現在剪切應力（shear strain）的NiTe²表面區域，存在三套朗道能級（圖3）。朗道能級的劈裂預示著NiTe²拓撲表面態的谷自由度受表面應力的調控。為了進一步探究應力調控拓撲表面態谷自由度的原理，劉邦貴研究員和肖湘波博士進行了第一性原理計算。結果表明，NiTe²單晶中應力破壞了晶格旋轉對稱性，導致拓撲表面態的谷簡并被打破。拓撲表面態的谷分支不再簡并，從而朗道量子化衍生出多套朗道能級（圖4）。其中，單軸應力將會部分打破NiTe²晶格的三重對稱性，導致拓撲表面態谷簡并被部分打破，產生兩套能級。剪切應力則將完全打破三重對稱性，導致拓撲表面態谷簡并被完全打破，產生三套朗道能級。

 

該工作是實驗上首次觀測到TMDs材料應力調控的拓撲表面態谷極化及其多套朗道量子化。有望在谷電子學、旋度極化器件和約瑟夫森二極管效應器件領域發揮重要作用。應力調控多自由度的方式可以拓展到其它擁有類似豐富拓撲物性的TMDs材料，實現新奇量子態的調控。相關論文以Tuning multiple Landau Quantization in Transition-Metal Dichalcogenide with Strain為題發表在Nano Letters 23, 3274 (2023)上。中科院物理所博士生黃子豪、冼國裕和博士后肖湘波博士為文章的共同第一作者，陳輝、楊海濤和劉邦貴為通訊作者。該工作得到國家自然科學基金（61888102，52022105，11974393）、科技部（2018YFA0305800，2019YFA0308500）、中國科學院（XDB33030100，XDB30000000，YSBR-003，ZDBS-SSW-WHC001）的支持。

 

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c00110

圖1. 磁場條件下NiTe²單晶無應力表面區域拓撲表面態的朗道量子化 

 

圖2. NiTe²單晶單軸應力表面區域觀測到兩套朗道能級 

 

圖3. NiTe²單晶剪切應力表面區域觀測到三套朗道能級

 

圖4. 應力調控的拓撲表面態谷極化導致出現多套朗道能級