物理系在拓扑晶体绝缘体研究方面取得新进展

 

拓扑晶体绝缘体是一种不同于拓扑绝缘体的量子物态。它拥有偶数个受晶格对称性而非时间反演对称性保护的Dirac型表面态。相比拓扑绝缘体,拓扑晶体绝缘体中有望发现更多的新奇量子现象,如可用电场调控的能隙和高陈数的量子反常霍尔效应等等。理论预言SnTe是一种拓扑晶体绝缘体材料,而与它具有相同结构的PbTe却是拓扑平庸的,因此Pb1-xSnxTe会在某个临界点x处发生拓扑相变。由于拓扑晶体绝缘体的拓扑性质受晶格对称性保护,所以不同晶面取向会导致不同的拓扑表面态。如对于SnTe(001)表面,Dirac锥位于时间反演不变点附近且关于点左右对称;而在SnTe(111)表面,所有Dirac锥都位于时间反演不变点上,所以(111)表面的拓扑态同时受晶格对称性和时间反演对称性双重保护。到目前为止,实验都只研究了SnTe自然解离(001)表面的拓扑性质,而没有关于极性(111)表面的报道。

最近,物理系陈曦/薛其坤研究组与段文晖研究组、中科院金属所张志东研究员及美国麻省理工学院傅亮教授合作,结合角分辨光电子能谱、扫描隧道显微镜和第一原理计算,详细研究了Pb1-xSnxTe(111)的拓扑性质与Pb掺杂量(1-x)的关系(如图所示)。他们利用分子束外延技术首次成功制备出高质量Pb1-xSnxTe(111)单晶薄膜。角分辨光电子谱测量发现随着Pb掺杂量的变化Pb1-xSnxTe(111)薄膜从拓扑晶体绝缘体转变为一个平庸的绝缘体,发生了拓扑相变。通过与紧束缚模型计算比较,他们发现由于表面极化等原因造成的能带弯曲会在平庸的表面态上产生比较强的Rashba劈裂,并且导致点和点处Dirac点能量的位移。他们还发现当样品厚度减小到二维极限时Dirac点处打开能隙。Pb1-xSnxTe(111)薄膜为寻找新的拓扑现象和探索高性能拓扑器件提供了新的平台。

 

上图:角分辨光电子能谱。

下图:紧束缚模型计算结果,和上图的实验结果完全吻合。

 

该成果以"Experimental Observation of Dirac-like Surface States and Topological Phase Transition in Pb1−xSnxTe(111) Films”为题发表在2014年5月9日的Physical Review Letters上[Phys. Rev. Lett. 112, 186801 (2014)]。颜晨晖和刘军伟两名研究生是文章共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和科技部“973”项目的资助。