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物理学院在“硅烯的拓扑物性”研究方面取得新进展

发布日期:2014年12月02日

      硅烯是一种新颖的二维材料,近年来引起了理论和实验物理研究上的广泛关注,已成为新材料领域的研究热点之一。硅烯具有类似石墨烯的六角蜂窝结构,其低能激发也是无质量的狄拉克费米子,在石墨烯中发现的新奇量子效应,大多数都可以在硅烯中找到相对应的版本。与石墨烯相比,硅烯更容易与当代成熟的硅基半导体工艺兼容,因而在未来的自旋电子学和纳米电子学器件领域可能具有广泛的潜在应用前景。
      新葡萄京娱乐场8455姚裕贵研究组一直从事硅烯等类石墨烯材料中新奇物性的研究。2011年他们发现硅烯稳定的起伏结构(如图1)使硅烯具备大小为1.55 meV的一阶自旋-轨道耦合能隙和内禀Rashba自旋-轨道耦合效应,这是石墨烯材料不具备的优势。在此基础上,该小组首次预言了硅烯是两维拓扑绝缘体,可以在实验上更容易实现量子自旋霍尔效应,并阐明了硅烯中具有大的自旋轨道能隙的物理机制[Phys. Rev. Lett. 107, 076802, 2011,Phys. Rev. B 84, 195430, 2011]。


图1 硅烯的晶体结构和能带图。(a),(b)分别为侧视图和俯视图。(c)定义了一个起伏角度。(d) 能带图。放大的部分为由于自旋轨道耦合作用在狄拉克点打开的能隙结构。
      在前期工作的基础上,该小组研究了双层硅烯的物理性质,重点关注其中的手性超导性质。手性超导具有非平庸的拓扑性质,将会带来一系列奇异的实验现象,比如量子化的边缘态,自发磁化,以及量子化自旋和热霍尔效应,此外它还可能会在量子计算等应用方向大有作为。他们发现在双层硅烯系统中可以实现d波的手性超导[Phys. Rev. Lett. 111, 066804, 2013],同时超导转变温度也可通过应变调控,为实验上实现手性超导提供了一个很好的材料平台。
   该小组和合作者最近在单层硅烯中引入破缺时间反演对称性的交换场以及外在的Rashba势,并考虑了硅烯中本征的自旋轨道耦合以及由于起伏结构导致的特有的内禀的Rashba自旋轨道耦合,发现了一个全新的拓扑量子态--谷极化的量子反常霍尔效应[Phys. Rev. Lett. 112, 106802, 2014],即同时具有量子反常霍尔效应以及量子谷霍尔效应,其拓扑陈数C=-1,谷陈数Cv=3(图2)。同时给出了硅烯在内禀Rashba tSO和外在Rashba tR二维参数空间的相图(图3)。该量子态在设计低功耗甚至是无耗散的电子器件以及谷电子学中有着重要的应用价值。
图2 (a) 硅烯中谷极化的量子反常霍尔效应的Berry 曲率倒空间二维分布。(b) 该Berry 曲率分布沿ky=0的高对称线的分布。(c) 硅烯zigzag纳米带的能带结构。黑色的代表体态,彩色的表示边界态,其中红色和蓝色表示相反的边界。(d) 谷极化的量子反常霍尔效应示意图。

图3  硅烯在内禀Rashba tSO和外在Rashba tR二维参数空间的相图。点线代表相边界。相I和相III是陈数C=2的量子反常霍尔态,相II是陈数C=-1,以及谷陈数Cv=3的谷极化量子反常霍尔态。
       除了上述理论方面的研究,姚裕贵课题组还与中科院物理所课题组合作在硅烯实验方面取得重要进展,目前已在Ag(111)面上合成了硅烯[Phys. Rev. Lett. 109, 056804, 2012, Nano Letters, 12, 3507, 2012]。
  姚裕贵课题组关于硅烯拓扑物性的系列研究工作,已引发了这一领域的研究热潮,如2011发表的理论文章已被分别引用337和162次(from Google Scholar )。
  姚裕贵教授自2011年底入校工作以来,在科研方面取得了优异成绩,其中以通信作者发表了4篇Phys. Rev. Lett.以及1篇Nano. Lett文章,2012年获得国家杰出青年科学基金资助,2013年入选教育部长江学者奖励计划。
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