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能在室溫下工作，碘化鉍中的弱拓?fù)浣^緣體！

2019-06-26 21:49 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

拓?fù)浣^緣體是21世紀(jì)最令人興奮的發(fā)現(xiàn)之一，它們可以簡(jiǎn)單地描述為在表面或邊緣導(dǎo)電的材料，但在內(nèi)部是絕緣的。它們的導(dǎo)電性能是基于自旋(量子力學(xué)特性)，這抑制了電子對(duì)材料或其他電子中雜質(zhì)的正常散射，以及由此產(chǎn)生的熱量損失。

與超導(dǎo)體不同，拓?fù)浣^緣體可以在室溫下工作，這為我們當(dāng)前的電子產(chǎn)品提供了被量子計(jì)算機(jī)和“自旋電子”設(shè)備取代的可能性，這些設(shè)備將更小、更快、更強(qiáng)大、更節(jié)能。拓?fù)浣^緣子分為強(qiáng)絕緣子和弱絕緣子兩類(lèi)，強(qiáng)拓?fù)浣^緣子(STI)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證迅速跟隨理論預(yù)測(cè)。

然而弱拓?fù)浣^緣體(WTI)較難通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因?yàn)橥負(fù)錉顟B(tài)出現(xiàn)在特定的側(cè)表面，這在真實(shí)的三維晶體中通常無(wú)法檢測(cè)到。表在《自然》(Nature)上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自日本的一組研究人員利用同步加速器技術(shù)，為碘化鉍晶體中的WTI狀態(tài)提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。準(zhǔn)一維(一維)碘化鉍晶體α-Bi4I4和β-Bi4I4結(jié)構(gòu)非常相似，不同的只是在他們沿著c-axis堆積序列。這種結(jié)構(gòu)上的微小差異導(dǎo)致了兩相電阻率在絕對(duì)值和溫度依賴(lài)性上的顯著差異。

在室溫下一階轉(zhuǎn)換發(fā)生兩個(gè)晶體之間的階段，與電阻α-phase形成樣本時(shí)優(yōu)先慢慢冷卻。研究小組用激光angle-resolved光電發(fā)射光譜(arp)測(cè)量能量和動(dòng)量高分辨率α-Bi4I4和β-Bi4I4的電子結(jié)構(gòu)。在這些實(shí)驗(yàn)中，觀察到來(lái)自(001)和(100)平面的ARPES信號(hào)的疊加，因?yàn)榧す獍弑缺┞对谂驯砻嫔系拿總€(gè)平臺(tái)和小面要大得多。在β-Bi4I4觀察到Dirac-cone-like能量分散在費(fèi)米能級(jí)附近，EF-anomalous瑣碎α-Bi4I4狀態(tài)沒(méi)有探測(cè)到，并應(yīng)該由于拓?fù)浔砻?。在較高的光子能量下，ARPES證實(shí)了類(lèi)似的準(zhǔn)一維狀態(tài)。

示意圖為nARPES幾何拓?fù)鋫?cè)表面(β-Bi4I4的(100)面)。b)(100)平面費(fèi)米能量處的ARPES強(qiáng)度圖。c) arp帶地圖在Γ??點(diǎn)和Z軸(100)的飛機(jī)。d)拓?fù)浒当砻?001)nARPES的示意圖幾何。e) arp帶地圖在Γ?(001)。圖片：Diamond Light Source

對(duì)于所觀察到的準(zhǔn)一維狄拉克態(tài)，唯一可能解釋是它來(lái)自WTI的拓?fù)鋫?cè)曲面(100)。為了專(zhuān)門(mén)檢測(cè)WTI表面，轉(zhuǎn)向了表面選擇性的ARPES技術(shù)。納米ARPES (nARPES)是同步加速器技術(shù)的一個(gè)令人興奮的發(fā)展，它結(jié)合了顯微鏡的高空間分辨率和ARPES技術(shù)的能量和動(dòng)量分辨率。beamline I05的nARPES分支具有一個(gè)端站，該端站可以從非常小的點(diǎn)尺寸提供空間分辨率的ARPES。使用光子束聚焦的規(guī)模小于1μm，團(tuán)隊(duì)能夠觀察的(100)面沒(méi)有任何污染。

WTI態(tài)

研究人員在角分辨測(cè)量之前，使用nARPES獲得了一個(gè)微小劈理表面的微觀強(qiáng)度圖然后在側(cè)表面（（100）平面）觀察到準(zhǔn)一維狄拉克拓?fù)浔砻鏍顟B(tài)，而頂表面（（001）平面）在拓?fù)渖鲜前档?，沒(méi)有拓?fù)浔砻鏍顟B(tài)，結(jié)果顯示了在β-Bi4I4中實(shí)現(xiàn)的WTI狀態(tài)，并且表明從β相到α相的晶體轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)了在室溫下從非平凡WTI到正常絕緣體的拓?fù)湎嘧儭?/p>

確定WTI態(tài)可能具有幾種不同的科學(xué)和技術(shù)含義，由于它被認(rèn)為是量子自旋霍爾(QSH)絕緣體的三維模擬體，能夠在三維晶體寬側(cè)面上產(chǎn)生高方向性的自旋電流，這一發(fā)現(xiàn)將促進(jìn)對(duì)奇異量子現(xiàn)象的進(jìn)一步深入研究。在碘化鉍中，可以通過(guò)選擇拓?fù)浠蚍峭負(fù)渚w相來(lái)控制自旋電流的產(chǎn)生。因此，這項(xiàng)研究是向QSH絕緣子三維類(lèi)似物的基礎(chǔ)和技術(shù)研究邁出的一步，并可能最終導(dǎo)致新的電子和自旋電子技術(shù)。