北京大学杜瑞瑞团队在自旋量子霍尔材料研究方面持续取得进展

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10月9日消息,北京大学量子材料中心杜瑞瑞教授课题组近期在自旋量子霍尔材料研究方面持续取得新成果。我们歌词 歌词 都发现,在InAs/GaSb量子自旋霍尔绝缘体中处于能隙内的非常规磁阻振荡,并清楚地展示了一种振荡来自于绝缘的体态,让我们歌词 歌词 都对量子振荡和费米面有了重新的认识。另一项工作实现了在InSb(111)衬底上外延生长高质量stanene,并首次制备输运器件观察到SdH振荡。

众所周知,金属的磁阻振荡来自于带电粒子在磁场下的朗道量子化。一种疑问报告 已被我们歌词 歌词 都广泛认可,并作为一种标准的测量手段用于探测金属的费米面。近来有课题组在三维的近藤绝缘体中观测到一类非常规的磁化率振荡(Science 349,287(2015) ),一种发现颠覆了我们歌词 歌词 都对于量子振荡的传统认识,并引发广泛的研究和讨论。但目前一种类三维材料无法删剪排除表表皮层态原困振荡的将会性。然而在二维的拓扑绝缘体中,通过设计不同几何社会形态的器件,体态和边缘态的信号可可不可以 可不可以 删剪被区分。这项工作报道了在二维的InAs/GaSb量子阱中观测到的能隙内振荡,并证实一种振荡来源于绝缘的体态,这原困量子振荡可可不可以 可不可以 可不可以 可不可以 费米面而处于。实验发现,当费米能级跨过能态边缘进入能隙时,振荡频率会出先有有好几个 突变。一种结果提示,在能隙中,将会屏蔽作用的减弱,带间电子空穴相互作用可不可以 可不可以 被考虑。平行磁场响应的数据进一步印证了一种猜测,震荡在平行磁场下的稳健性显示了单粒子图像在此处是失效的,一种系统中处于多体相互作用甚至将会的拓扑激子绝缘态。一种新的拓扑量子态实际上将会在同样的InAs/GaSb材料中被观测到(Nat.Commun.8,1971(2017))。该工作首次从实验上澄清了能隙内震荡的来源,让我们歌词 歌词 都对量子振荡和费米面有了重新的认识。

(a)体态电导随前门电压Vf以及垂直磁场B⊥变化的二维图,数据在80 mK下通过Corbino器件测得;(b)同時 测到的电导和电阻震荡呈现180度相位差,证实了震荡起源于绝缘态;(c)虚线和红线分别为费米能级在金属态或绝缘态的理论计算能带图,解释了SdH振荡频率跃变

相关文章发表于《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 123, 126803 (2019)】。博士生韩中东为第一作者,科学院大学张龙和北京大学杜瑞瑞为通讯作者。上述研究得到国家重点基础科学研究计划(原973计划)、国家自然科学基金等项目经费的资助。

理论预言单层alpha-Sn(锡烯-stanene)为具有较宽带隙的二维拓扑绝缘体,有望实现室温下的自旋量子霍尔效应。近期,课题组实现了在InSb(111)衬底上外延生长高质量单层与多层stanene,并通过STM及低温输运等依据对薄膜的质量与性质进行了分析表征。扫描隧道能谱(STS)的实验结果显示,单层stanene具有大于0.2 eV的带隙,满足室温自旋量子霍尔相应对材料能带社会形态的要求,并在薄膜边界处实验观测到了符合理论预期的拓扑边缘态社会形态。此外,实验证实stanene具有很好的稳定性,当薄膜被置于大气环境较长时间后仍能保持稳定的性质。我们歌词 歌词 都首次通严重不足温磁输运在stanene薄膜体态中观测到了SdH震荡,为在锡烯中观测自旋量子霍尔效应提供了途径。

(a)单层锡烯的STM图像;(b)STS在体态与边缘处的谱线显示边缘态的处于;(c)边缘处的隧穿电导图显示出边缘处的高电子态分布;(d)垂直磁场下SdH震荡信号显示其体态性质;(e)垂直磁场下符合1/B等周期震荡;(f)样品在大气环境放置有有好几个 月前后的低温输运数据,展示其稳定性

相关文章发表于2D Materials(DOI: 10.1088/2053-1583/ab42b9.)。博士后郑晓虎和博士生张建峰为第一作者,杜瑞瑞为通讯作者。上述研究得到国家重点基础科学研究计划、国家自然科学基金等项目经费的资助。