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标题: 科研职员观测到呼吸笼目半导体中的拓扑平带 [打印本页]

作者: 森焱垚 时间: 2022-9-17 18:47
标题: 科研职员观测到呼吸笼目半导体中的拓扑平带
晶格结构、拓扑和磁性之间的相互作用会赋予质料丰富的物性，一个典范的案例是二维笼目（kagome）晶格。若接纳简单的紧束缚模子盘算，只思量近来邻格点间的电子跳跃，可得到其特性性的能带结构——狄拉克锥与拓扑平带并存。该平带劈头于kagome晶格中近邻格点间电子跃迁波函数的相位相消，而且受镜面对称性的掩护。由于平带中存在大量能量简并的电子，因此电子关联效应非常强，可诱导出多种奇异的物态，如关联绝缘态、超导、分数目子霍尔效应等。比年来，人们使用角分辨光电子能谱（ARPES）技能，在一系列kagome金属中观测到了拓扑平带和狄拉克电子态，比方Fe3Sn2、FeSn、CoSn、YMn6Sn6。然而，这些质料均为金属，费米能级附近不存在能隙，因此无法应用于逻辑和光电器件。另一方面，真正意义的kagome晶格为单层质料，而此前发现的kagome质料均为体质料，其层间作用较强，难以通过剥离方式得到单层或少层。分子束外延法的生长条件较为苛刻，比如仅实用于特定的衬底、单畴的面积较小（通常只有几十纳米）等。因此，实现具有大能隙而且可剥离的kagome质料具有紧张的理论和实用代价。

克日，中国科学院物理研究所/北京凝结态物理国家研究中央研究职员初次实现了具有半导体特性、可剥离到单层的kagome质料Nb3Cl8，而且使用ARPES观测到了拓扑平带。

Nb3Cl8中的Nb原子形成的是呼吸笼目（breathing kagome）晶格，相较于传统的kagome晶格，这种晶格不具有空间反演对称性，打开了狄拉克锥的能隙，形成半导体性的基态。另一方面，呼吸笼目晶格仍然生存镜面对称性，受它的掩护拓扑平带仍然存在（图1）。通过改变光子能量和偏振依赖的ARPES丈量，研究职员观测到一条超过整个布里渊区的平带（图2），与盘算效果符合。进一步的理论盘算表明该能带具有拓扑性。由于Nb3Cl8单晶层间相互作用很弱，可以很轻易地被剥离至少层和单层（图3）。实行通过差分透射谱的丈量，证实了该质料具有约1.1 eV的光学带隙，且单层样品在氛围中非常稳固（图3）。别的，第一性原理盘算表明，单层Nb3Cl8具有铁磁性和高阶拓扑性。这些奇异的物性有待进一步的理论和实行研究。

相干效果以Observation of topological flat bands in the kagome semiconductor Nb3Cl8为题发表在Nano Letters上。该工作得到了国家自然科学基金委、科学技能部、北京市自然科学基金、中科院国际互助项目以及中科院战略性先导科技专项等项目标资助。

图1 传统kagome晶格和breathing kagome晶格的结构模子和电子结构

图2 Nb3Cl8的ARPES丈量效果

图3 Nb3Cl8的呆板剥离及光学吸取

泉源：中国科学院物理研究所

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