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首次成功利用应力场调控拓扑绝缘体Bi2Te3表面的动力学性质

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自己校物理大学、固体微构造物理国家入眼实验室、瓜亚基尔微布局科学与技巧协同创新宗旨的唐世祖春教师课题组,与美国能源部的Ames实验室Yong
Han, James W.
Evans合作,第一遍成功使用应力场调整拓扑绝缘材料Bi2Te3表面的引力学性质,相关的琢磨成果以“Tailoring
Kinetics on a Topological Insulator Surface by Defect-Induced Strain: Pb
Mobility on Bi2Te3”为题,前段时间在线刊登于《Nano
Letters》。南大为第一完事单位,物理高校已结业余大学学生生黄文凯为该杂谈的第一笔者,李俨春教师和Ames实验室的Yong
Han切磋员为杂文的联合通讯我。其余参预者包涵南大的高准翼教授和万贤纲教师。

哈工大东军政大学学物理系讨论团队意识内禀磁性拓扑绝缘子


哈工业余大学学音信网6月14日电
那二日,北大东军事和政院学物理系何珂、薛其坤等人的实行斟酌团体和徐勇、段文晖等人的商量斟酌协会面营第二遍开采了一种内禀磁性拓扑绝缘油MnBi2Te4,为进步量子十分霍尔效应的热度开荒了一条新的征途,并为多样美妙拓扑量子物态和遵循的研商提供了多少个大好平台。此项斟酌相关试验结果以《内禀磁性拓扑绝缘纸的推行完结》为题发布于近期出版的《中黄炎子孙民共和国物理快报》上;相关答辩结果以《MnBi2Te4亲族范德瓦尔斯层状材料中的内禀磁性拓扑绝缘子》为题发布于最近出版的《科学·进展》上。

拓扑绝缘油是一类由时间反演对称性尊崇的拓扑物态,因而是非磁性的。有趣的是,大家在拓扑绝缘油中希望的新奇量子效应之中的一对一一些急需引进磁有序破坏其时间反演对称性本事出现。叁个头名的例子就是量子反常霍尔效应——一种无需附加磁场就可现身的量子霍尔效应,这种意义便是通过在拓扑绝缘凡立水中掺杂磁性成分引进磁有序而首次推行完毕的。但是通过磁性掺杂在拓扑绝缘子中引进磁有序实际不是贰个优异的艺术。磁性掺杂会给材质带给莫大冬辰及电、磁学性质的不均匀性,那产生了比较低的量子反常霍尔效应完成温度,还大概会严重干扰如手征马斯Terry赫特公约拉纳模那样须要精细调控的尝试商讨。叁个美貌的磁性拓扑非导体应当是内禀的,即怀有鲜明化学计量比,磁性成分有序排列,居里温度之上是拓扑非导体,居里温度之下具备长程铁磁序。即使事前有部分争论索求,磁性拓扑非导体一贯得不到在实施上获得。

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图1.
分子束外延生长的内禀磁性拓扑绝缘子MnBi2Te4的尝试度量结果。高分辨电镜图展现了MnBi2Te4特征性的“七层”构造;角分辨光电子能谱展现出MnBi2Te4的狄拉克型表面态,证明其是多少个三个维度拓扑绝缘凡立水;霍尔电阻随磁场变化曲线呈阶梯状,展现在外磁场效应下MnBi2Te4的“七层”间磁构型由反铁磁到铁磁的改动。

哈工大东军事和政院学物理系何珂、薛其坤等人的尝试研商集体和徐勇、段文晖等人的反对切磋团队合作第二遍发掘了一种内禀磁性拓扑绝缘子MnBi2Te4。这是一种层状磁性材质,每一个“七层”单元包涵七个Mn单原子层。他们通过换岗生长Bi2Te3和MnTe的不二秘籍制备出了这种质地的多晶硅薄膜,其特色的“七层”布局被高分辨电镜和X射线衍射清晰确认。通过角分辨光电子能谱衡量,他们发觉这种材质只要层厚不低于八个“七层”就能够具有狄拉克型表面态,注解那是二个三维拓扑绝缘凡立水。结合磁性衡量结果和第一法则总括他们发掘这种材质的体相是一种反铁磁拓扑绝缘油:Mn原子的磁矩在每一种“七层”内铁磁排列,在“七层”之间反铁磁排列。理论总括结果开采这种新鲜的磁构造会使这种质感呈现极度丰硕的、质量卓越的拓扑量子物态:其层厚为奇数“七层”的薄膜处于量子非常霍尔相,层厚为偶数“七层”的薄膜处于轴子绝缘凡立水相并显示拓扑磁电效应,三个维度体相是搜索已久的装有拓扑轴子表面态的反铁磁拓扑非导体,在增大磁场下又可生成为最简易的磁性外尔半金属。别的,磁性能够在此种质感的拓扑表面态上得以张开高达52meV的能隙,那表示其有比相当的大希望在越来越高温度下促成量子失常霍尔效应等量子效应。

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图2. 内禀磁性拓扑绝缘油MnBi2Te4理论估测计算结果。单层MnBi2Te4
的晶体构造,对Mn成分实行轮流可生成一大类MBi2Te4相关资料。通过维度与磁性调整,MnBi2Te4亲族资料能达成增进的拓扑物相,包含反铁磁拓扑绝缘油、外尔半金属、量子卓殊霍尔
效应、轴子绝缘子等。单层MnBi2Te4的能带布局及其暗意图,此中Mn原子具备半满的d轨道,费米面相近的电子态重要由Bi/Te的p轨道进献。由此,在MnBi2Te4中,Mn和Bi/Te原子层分别提供磁性和拓扑,那三种量子序在同一种资料中落到实处了全面包车型大巴组成。

MnBi2Te4有序的磁性原子排列、庞大的磁能隙,以致所满含的增长的拓扑相使其变为三个理想的磁性拓扑绝缘系列统,为量子十分霍尔效应达成温度的巩固提醒了一条新的征途,并得以当做商量七种拓扑物态和功力的阳台,用于探求维度、磁性、对称性与拓扑之间相互影响以至经过演生出的新物理与新应用。此专门的学问相关故事集的预印本已引起了国际上拓扑物态、二维材质等领域斟酌者的举不胜举关心。方今在此种质感的多晶硅解离薄片样品中量子反常霍尔效应已经被实验观测到,所需温度确实要大于磁性掺杂拓扑非导体。

该项工作实验部分散文的首先小编为北大东军大学物理系大学生生龚演,合作通信作者为啥珂教师、薛其坤教师和徐勇副助教。理论部分杂文的首先笔者为武大物理系的大学子生李佳恒,协同通信小编为哈工业大学东军大学物理系徐勇副教授、段文晖讲师和何珂教师。上述专门的学问的协笔者还包罗哈工大东军大学的顾秉林教师、姚宏教授、于浦助教、王亚愚教师、张定副教师、浦项艺术学院的张首晟教师、中国科高校物理斟酌所的谷林商讨员等甚至大学生生郭景文、廖孟涵、朱科静、李阳、杜木桥、王尊等。该工作获得国家自然科学基金、科技(science and technology卡塔尔(قطر‎部、新加坡鹏程集成电路技能高精尖改良为主、清华大学独立科学商讨安排、东京(Tokyo卡塔尔量子音讯调查研商院的援助。

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供稿:物理系

编辑:李华山

审核:周襄楠

拓扑绝缘凡立水是近来被发掘全部非同一般能带构造的新颖量子材料,它的体能带具备带隙,可是表面具备拓扑保养的外部金属态。表面态电子具有自旋和动量的锁定关系,因而非磁性杂质很难孳生表面态电子的背散射,电子在输运进程中能源消耗小,进而拓扑绝缘油质地在今后的量子总括等世界具有隐私的行使价值。其他方面,在拓扑绝缘纸/别的量子相的异质外延分界面处存在着丰盛的物理现象。举个例子,拓扑-磁耦合招致异形量子霍尔效应,拓扑-超导分界面处存在Majorana费米子。因而,怎么着在尝试上构建基于拓扑绝缘纸衬底的可控分界面,无论是在接纳领用,依旧从实验研究角度都具备至关心珍爱要的含义。

该钻探中,李俨春课题组经过规范调节分子束外延生长的参数,在Bi2Te3薄膜的外部成功引入应力场,何况通过几何相位解析定性地得到了外界的应力分布。并越发以Pb/Bi2Te3为模型系统,商讨了应力对表面重力学性质的调节。实验发以往表面包车型大巴应力拉伸区域,Pb趋向于产生团簇的款型;而在外部的无应力区域,Pb趋势于以单个原子的样式吸附于表面。令人出人意料的是,通过核心原理总括发掘原子在外界的吸附能和扩散势垒都趁机应力呈现一个V字形的注重性关系,最小值坐落于应力周到为~+0.8%处,而并不是应力周密为0处。实际上,超过1/2的观念半导体恐怕金属材质的外表吸附能/扩散势垒都以对应力突显单调变化的依赖关系。深远的深入分析开掘,这种奇特的V字形信赖关系来源于Bi2Te3的异样原子层构造。当原子在外表发生扩散时,最外层的晶格Te原子和第二层的晶格Bi原子都会对扩散发生影响,协同效用以致了V字形的依据关系。基于第一性原理的结果开展的蒙特卡罗效仿给出了与尝试完全适合的模拟结果,进而很好地疏解了尝试现象。在另一种构造相仿的质地Bi2Se3表面,也发觉了完全相似的实验现象,注脚这种离奇的重力学行为很有希望大面积适用于这一类原子布局的化合物。

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由分子束外延方法生长的保有表面应力场的Bi2Te3薄膜表面;Pb原子在引进应力场的Bi2Te3表面包车型地铁吸附行为;Pb在Bi2Te3表面的扩散势垒随应力的依赖关系。

该专业的含义在于,第壹遍成功使用应力场调节了拓扑绝缘纸表面包车型客车重力学行为:吸附能和扩散势垒。表面引力学性质,更加是外界原子的扩散,对异质外延分界面包车型地铁结构起到第一的效应。该工作提供了一种可能的路线,即能够行使应力有效地调整拓扑绝缘子的异质外延分界面。另一面,应力本人对拓扑绝缘油的拓扑性质也是有举足轻重的机能,比方应力错误的指导的拓扑-超导相变等等。这种经过分子束外延方法律制度备的有着应力场布满的拓扑绝缘材料为进一层在原子尺度切磋应力错误的指导的拓扑相变提供了完美的素材平台。

感激南大现代文大学的赵正罗教师和物理大学陈延彬副助教在数码解析方面提供的支援。专门的职业得到国家科学技术部、自然科学基金委员会、青年千人安顿、以致中大经费等品种的协助。

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(物理大学 科学手艺处)

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