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在二维晶体中发现的高阶拓扑-“各种令人兴奋的

更新时间:2020-07-30 20:50点击:

在二维晶体中发现的高阶拓扑-“各种令人兴奋的

在过去的十年中,凝聚态物理领域经历了一个黄金时代,随着新材料和性能的发现,以及相关技术的飞速发展,多亏了拓扑物理的到来。2008年,随着拓扑绝缘体的发现,拓扑物理学开始腾飞。拓扑绝缘体是一种材料,在体积上是电绝缘的,但在表面是金属的。

从那时起,科学家们发现了更多奇异的拓扑相,包括狄拉克半金属、魏尔半金属和轴子绝缘子。但最近,人们从理论上预测了一种材料,这种材料在本体、表面和边缘都是绝缘的,但仅在铰链或角落是金属的。这些被称为高阶拓扑绝缘子的奇怪新材料极其罕见,迄今为止只有铋元素被实验证明可能属于这一类。

什么是铰链状态?想象一个盒子比tall –更长更宽上面和下面都有盖子,你可以打开它把东西放进去。盒子内的空间将被称为块。大多数导电材料都是在体积上导电的。然而,在拓扑绝缘体中,盒子的大部分是电绝缘的,但顶部和底部。襟翼mdash;是金属的,并保持表面状态。对于一些材料,盒子的体积、顶部和底部是绝缘的,但侧面(边)是金属的。它们具有边缘状态,这在磁拓扑绝缘子中得到了证明。最后,在高阶拓扑绝缘子,体积,顶部,底部和侧面的盒子都是绝缘的,但铰链和角落的盒子是金属的,有不同的铰链或角落状态。这些铰链状态也被预测存在于拓扑半金属如铋中。特别是在自旋电子学的研究中,铰链态很有前景,因为它们的传播方向与自旋密切相关,马约拉纳费米子也是如此。马约拉纳费米子正在积极研究其在容错量子计算中的应用。

现在,一个来自美国、香港、德国和韩国的国际科学家小组发现了一种新的高阶拓扑绝缘体。它是一种层状二维过渡金属二卤化合物(TMDC),称为WTe2。这是凝聚态物理中的一种著名材料,它表现出从巨大的磁阻到量子化自旋霍尔效应等各种奇异特性。这是第一个ii型Weyl半金属的例子,它可以制成只有一层厚度的设备,并且像石墨烯一样可以剥离。WTe2也显示出在压力下的超导性,这意味着电子对和超电流通过它没有任何阻力。

在2019年,理论物理学家们设想WTe2和它的姐妹材料MoTe2是具有金属铰链状态的高阶拓扑绝缘体,这使得性能更加丰富。此后,世界各地的许多研究团队都在寻找WTe2和MoTe2中这些奇异状态的证据,最近的一些结果显示,在它们的边缘存在着额外的导电状态。但是研究人员无法确定这些是否是真正的边缘状态或者是非常受欢迎的铰链状态。

在一项研究发表在《自然材料》7月6日,2020年,团队领导的亲属涌方(雷神BBN技术公司),Mazhar n·阿里(马克斯普朗克研究所的微结构物理以及材料Inc .),锦段法(香港科技大学)和Gil-Ho李(浦项市科技大学,(和亚太理论物理中心)采用了一种新的方法,利用约瑟夫森接点在空间上解决了超导流,并表明WTe2确实似乎具有铰链状态,是一种高阶拓扑绝缘体。

约瑟夫逊结是物理学中一个非常重要的装置和工具。它们被用于各种技术应用,包括磁共振成像机(MRI)以及量子计算机的组成部分——量子位元。当像铌(Nb)这样的两个超导电极通过非超导电桥连接在一起时,就形成了这些连接,这种非超导电桥类似薄膜器件中的高质量WTe2。当温度降低到一定程度时,注入一个Nb电极的超导电流可以在没有电阻的情况下通过电桥到达另一个Nb电极。因此,整个装置显示零电阻,并被称为超导。

然而,在保持超导性的同时,没有无限多的超导电流可以通过电桥。当注入电流超过临界电流时,结就会变为正常状态,并表现出有限的电阻。约瑟夫森效应指出,由于样品中超导波函数的相位变化,临界电流将在高值和低值之间以弗劳恩霍夫模式振荡。

该团队意识到,在振荡中隐藏着超导电流在样本中传播时的位置信息。通过对弗劳恩霍夫模式进行傅里叶反变换,研究人员能够将样本中的超电流可视化,并发现它确实在WTe2设备的两侧传播。但是,这还不足以区分边缘状态和铰链状态。

如本文顶部的图所示,由于铰链状态的基于对称的起源有一个奇怪之处,在WTe2示例中并非所有的铰链都是相同的。例如,在样品的左上和右下铰链上有金属铰链状态,但右上和左下没有。这与边缘状态不同,边缘状态仅仅存在于样本的左右两侧。对此,雷神BBN技术公司的Fong Kin Chung解释道:“我们利用了这一差异作为我们的优势。通过在样品的上半部分而不是下半部分连接超导电极,我们意识到,如果存在铰链状态而不是边缘状态,我们将看到不同的弗劳恩霍夫模式。他进一步指出,在这种结构中,电极将只连接到其中一种铰链状态(即左上而不是右下),这将显示出明显的弗劳恩霍夫模式。如果存在边缘态,这种结构与连接样本的上、下两部分没有什么不同,弗劳恩霍夫看起来是一样的。当他们进行这个具有挑战性的实验时,他们观察到了铰链状态的特征,而不是边缘状态。

但这还不是全部。WTe2是一种具有高晶体各向异性的低对称性正交晶材料。晶体中不同的方向是不相等的,并从理论上证实了晶体中存在的铰链状态也不是完全相等的。在某些方向上,它们会混在一起,而在另一些方向上则不会。香港科技大学解释金屯法。

由于在WTe2中发现了铰链状态,在不久的将来,在这些化合物中有多种令人兴奋的物理有待探索。浦项科技大学的李吉尔说。他补充说,无耗散互连、真正的一维超导纳米线和自旋电子学器件、拓扑超导、马约拉纳费米子和相应的拓扑量子计算机都即将出现。

马克斯普朗克微观结构物理研究所的Mazhar N. Ali解释说,WTe2可能是第二种显示具有铰链状态的材料,但它与另一种备选材料铋非常不同。WTe2是二维的,很容易制造成表面可控的纳米器件,可以以异质结构层压在其他二维材料上,甚至当它自身稍微扭曲时可以形成莫尔超晶格。他补充说,它的姊妹材料MoTe2预计将表现出相同的铰链状态,但在低温下它是一种固有超导体。他激动地问道:“这些铰链状态怎样才能修改、控制和使用呢?”未来还有很多令人兴奋的研究机会。

参考文献:各向异性铰链态的约瑟夫森耦合证明多层WTe2中的高阶拓扑蔡永彬、谢颖明、陈翠珍、朴景浩、宋素邦、尹智浩、金宝杰、谷口高志、渡边健二、金荣万、方金忠、李宗宪、罗金屯等李姬镐,2020年7月6日,自然材料。

DOI: 10.1038 / s41563 - 020 - 0721 - 9


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