北理工姚裕貴教授團隊預測新型量子自旋霍爾絕緣體——單層Bi4Br4
發布日期：2014-10-25 供稿：物理學院
編輯：物理學院 周格羽 閱讀次數：
圖1：單層Bi4Br4的結構示意圖(中)，邊緣態電子結構(左)，以及體能隙隨單軸應力的變化(右)。
圖2：三維Bi4Br4表面上的單層臺階結構示意圖(右)，以及單層臺階上的拓撲邊緣態電子結構(左)。
最近，北京理工大學姚裕貴教授指導周金健博士生、馮萬祥博士、劉鋮鋮博士和管閃博士生在之前工作的基礎上，通過第一性原理計算，研究并預言了單層Bi4Br4體系能夠在室溫下實現量子自旋霍爾效應。三維的Bi4Br4單晶是具有層狀結構的半導體，層間耦合是弱的范德瓦爾斯作用，因而有可能通過機械剝離的辦法制備出單層Bi4Br4。雖然三維的Bi4Br4是普通的半導體，但是它的單層結構卻是量子自旋霍爾絕緣體，其體能隙約為180 meV,遠高于室溫條件(約26meV)。此外，如圖1（中）所示，單層Bi4Br4的結構具有很強的各向異性，可以看成由無限長的一維鏈并排組成，鏈間的耦合相比鏈內耦合很弱。這種結構特性有利于形成原子級平整的邊緣。局域在邊緣上的拓撲邊緣態具有單狄拉克點線性色散關系，是理想的無耗散導電通道，如圖1（左）所示。該工作發表在Nano Lett. 14, 4767 (2014)。隨后，姚裕貴研究組進一步研究發現，多層Bi4Br4體系中層間耦合對費米能級附近的低能電子結構影響很弱。特別地，當單層Bi4Br4放在單晶Bi4Br4表面時，單層體系的拓撲邊緣態不會被破壞，如圖2。這意味著，只需要在單晶Bi4Br4表面上通過納米加工制備出單層的臺階結構，就可以得到一維無耗散導電通道，這表明該材料具有廣闊的應用前景【arXiv:1409.0943】。以上工作得到了國家自然科學基金委和科技部的資助。
量子自旋霍爾絕緣體，也稱為二維拓撲絕緣體，是一類體內絕緣，邊緣導電的二維材料。它的邊緣態是由體態拓撲性質導致的，由時間反演不變性保護，不會受到非磁雜質的背散射，因而在低能耗電子器件中有著巨大的應用潛力。量子自旋霍爾絕緣體中豐富的物理內涵和潛在的應用價值使得它在近些年的凝聚態物理和材料科學領域中掀起了研究的熱潮。然而到目前為止，實驗上僅在HgTe/CdTe和InAs/GaSb兩個量子阱體系中觀測到了量子自旋霍爾效應。且由于體能隙太小，它們只能在極低溫條件下工作，并且制備復雜。因而尋找新型的能隙較大的量子自旋霍爾絕緣體材料對進一步的理論和實驗研究，以及未來的器件應用都具有至關重要的意義。
隨著石墨烯的出現，從范德瓦爾斯層狀化合物中剝離出的二維單層結構引起了廣泛的關注。這類只有單個或者幾個原子層厚度的二維材料具有不同于其三維體系的一些新奇特性,如石墨烯中的線性色散電子結構，二硫化鉬中的谷霍爾效應等等。近些年來，姚裕貴教授研究組及其合作者致力于研究這類新興二維材料中的量子自旋霍爾效應。石墨烯是首個理論上預言的量子自旋霍爾絕緣體，姚裕貴教授的研究發現石墨烯中由自旋軌道耦合打開的能隙非常小(μeV量級)，因而無法在實驗可達的溫度范圍內工作【Phys. Rev. B 75,041401(R) (2007)，引用266次】。隨后姚裕貴教授研究組又研究了硅的單層六角蜂窩結構-硅烯，并預言了硅烯在18K溫度下可以實現量子自旋霍爾效應【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，引用253次】。
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