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18新利登录:【聚焦“双一流”】我院在低维拓扑半金属表面电子态量子输运手段探测与表征方面取得新进展

时间:2021-07-08   浏览:10

    近期,我院量子材料与物理研究所刘学教授与美国阿肯色大学胡津教授及美国杜兰大学魏江教授合作,利用微纳器件加工及量子输运手段,成功实现了拓扑节线半金属ZrSiSe“浮动带”表面态的直接探测及二维特性表征。相关研究成果发表在国际顶级期刊Nano Letters2021, 21, 4887-4893)上,并被选为补充封面(Supplementary Cover)。

    表面电子态是凝聚态物理领域一个重要研究方向,尤其在对拓扑材料的发掘过程中,表面态作为该类材料体系的关键特征(fingerprint)物理性质,其有效观测及全面表征至关重要;并为进一步实现新型自旋电子器件及量子信息器件提供良好的物理平台。其中,狄拉克节线半金属材料,如ZrSiX (X=S, Se, Te)等,其非点式对称性晶体结构决定了其表面存在一类特殊的表面电子态,即浮动带型表面态。然而,人们对于该类表面态的研究仍然较为匮乏,尤其在利用输运手段对其直接进行探测与表征方面仍处空白。

    基于以上研究背景,研究团队充分利用了ZrSiSe晶体的二维可剥离特性,解决了有效削减块体对输运信号干扰的难题,从而实现对表面电子态的精准探测。实验中发现,随着ZrSiSe样品厚度的缩减,其Shubnikov-de Haas量子震荡逐渐由单一频率(FB=210T)演化至两个频率(FB=210TFS=445T(a,图b)。在薄层样品中(小于60nm),与块体的震荡频率FB截然不同的是,该新频率FS展现出表面态特有的二维特性。同时,进一步分析发现,该频率与第一性原理计算(图c,图d)及ARPES探测的浮动带表面态一致,并展现出较高的电子迁移率及一定的稳定性,即在表面氧化的情况下仍然稳定存在。该项工作为通过量子输运手段直接探测表面态提供了可行性思路。对于拓扑材料体系表面态的探测与性质研究,将有助于新型量子信息器件如自旋电子器件的功能化实现。

    18新利登录为文章第一通讯单位,我院刘学教授、美国阿肯色大学胡津教授与美国杜兰大学魏江教授为文章共同通讯作者。

图:a. 176nm28.2nm厚度的ZrSiSe纳米片的量子震荡图形及震荡频率对比。b. ZrSiSe纳米片SdH量子震荡特性的厚度依赖关系。c. d. ZrSiSe纳米片能带计算。

图片来源:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c04946 

文章标题:Quantum Transport of the 2D Surface State in a Nonsymmorphic Semimetal

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c04946

相关报道:https://www.x-mol.com/news/683907 



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