【聚焦“双一流”】姜宇轩教授课题组在量子材料的拓扑表征中取得重要成果

发布时间:2021-11-29

本网讯(物理与光电工程学院王栋)近期,我校物理与光电工程学院姜宇轩教授与美国佐治亚理工学院的江志刚教授合作,提出了一种全新的表征量子材料拓扑相的方法,并且在实验上得到验证。相关研究成果以“Magneto-transport evidence for strong topological insulator phase in ZrTe5”为题, 发表于国际权威期刊《自然通讯》(Nature Communications,12,6758,(2021))。我校姜宇轩教授与佐治亚理工学院的江志刚教授为文章共同通讯作者,365体育娱乐平台网址为文章的第一通讯单位。

拓扑绝缘体是近年来所发现的一种新的物态,其中处于表面态的电子具有高迁移率、低散射的特点,因此在未来低能耗电子器件中具有巨大的应用潜力。目前判断一个材料是否为拓扑绝缘体的主要方法是通过直接表征带隙中的表面态的存在。然而,对于带隙较小的材料,这种方法通常很难区分体态和表面态。

课题组从理论与实验出发,提出了一种全新的电子拓扑相的简易判据,有效地解决了这一难题。课题组发现,与普通材料相比,拓扑材料中的能带反转会产生如图(a)中所示的双带隙结构。 由于双带隙结构存在于体态之中,在实验上比表面态更加容易观测,特别是在强磁场的作用下,电子的态密度会产生四重劈裂以及额外的反常峰(如图(b)所示)。而这些理论所预言的现象也通过磁场下热/电输运实验在拓扑材料五碲化锆中得到了验证,为课题组所提出的理论提供了确实的实验证据。

该工作所提出的理论与方法,不仅可以很好地规避直接测量表面态的困难,有助于进一步推动窄带隙材料以及半金属中的电子拓扑相的鉴别,同时也为理解拓扑电子的奇异行为提供了新的视角。

 

:(a)电子的能带结构在拓扑(STI)和普通(WTI)相中的对比。箭头标记的是能带带隙的位置。(b)图(a)中不同能带结构的电子态密度随磁场的变化。在拓扑结构中,态密度在量子极限(n>0)之前有明显的四重简并劈裂以及在量子极限后(n=0)会出现的新的峰值,这些特征可以用来区分不同的电子拓扑结构。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-27119-5



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