优信彩票购彩大厅物理学院宋凤麒王伯根课题组

近日,南京大学物理学院、电子学院、中国科学技术大学、中科院物理所、国家纳米科学中心、西湖高等研究院等单位共同合作,在二类狄拉克半金属能带优化的相关研究中取得新进展。成果以《二类狄拉克半金属Ir1−xPtxTe2中的能带优化与超导电性》(Band Structure Perfection and Superconductivity in Type-II Dirac Semimetal Ir1−xPtxTe2)为题,于7月17日发表在《先进材料》(Advanced Materials)上(DOI: 10.1002/adma.201801556)。南京大学物理学院费付聪、薄祥两位同学为共同第一作者。宋凤麒教授、万贤纲教授、王伯根教授联合担任通讯作者。中国科学技术大学孙喆课题组、中科院物理所吕力课题组提供了部分实验条件的支持。

石墨烯、拓扑绝缘体等近来热点凝聚态体系的核心物理在于狄拉克电子,鉴定狄拉克电子的关键指征之一是半整数序列的量子霍尔效应。然而,由于固体对称性要求非简并的狄拉克锥总是成对出现,狄拉克电子量子霍尔效应实验中都只能看到整数平台。单个狄拉克通道的1/2量子霍尔效应来源于宇称反常,其观测十分困难。拓扑绝缘体的两个狄拉克锥分布在器件的上下两个表面,这给表面独立调控实现单狄拉克通道量子霍尔效应并观测宇称反常带来了希望。

拓扑材料是当前凝聚态物理和材料科学的研究热点,随着研究的深入,拓扑材料的分类越来越丰富和多样化。其中二类狄拉克半金属便是人们在2017年发现的一类新型的拓扑材料,其能带结构拥有沿某一动量方向严重倾斜的线性色散狄拉克锥。新奇的能带结构也会带来一系列奇异的物理性质,因此受到了广泛关注。当前,二类狄拉克半金属的实验研究局限于PtSe2材料家族。但该家族的几种材料(PtSe2、PtTe2、PdTe2)能带结构都不完美,费米面离狄拉克点较远,且都有平庸杂带穿过费米面,对研究二类狄拉克半金属的奇异性质极为不利。因此寻找一种拥有优化能带的理想二类狄拉克半金属成为了相关研究亟待解决的关键问题。

南京大学物理学院、电子学院、中国科学院强磁场科学中心、中国科学技术大学和中科院物理所合作的课题组利用团簇调控拓扑绝缘体获得单狄拉克通道量子霍尔效应。相关研究成果以“Anomalous quantization trajectory and parity anomaly in Co cluster decorated BiSbTeSe2nanodevices”为题,发表在在Nature Communications (Nat. Commun. 8, 77 上。南京大学物理学院张帅、王锐两位同学和中科大的皮雳教授为论文的共同第一作者,宋凤麒教授、王伯根教授、张裕恒教授为论文共同通讯作者,中科院强磁场科学中心和中科院物理所李永庆组提供了关键的支持。

该工作针对PtSe2家族能带上的不足,提出并证实了一种新型的二类狄拉克半金属Pt掺杂的IrTe2体系,其能带结构较PtSe2家族有了极大的优化,是一种理想的二类狄拉克半金属。不同Pt掺杂量的单晶样品通过助熔剂法成功合成。实验表明Pt替位掺杂不仅抑制了IrTe2纯相中低温下发生的结构相变,同时起到了电荷掺杂的作用,对费米面调控起到了关键作用。结合第一性原理计算与角分辨光电子能谱,Ir1−xPtxTe2体系的能带结构被系统地研究,实验与理论计算高度吻合,其费米面附近仅有狄拉克能带的贡献,且通过改变Pt掺杂含量可将费米面在狄拉克点附近进行调控,当掺杂量x

0.3时,费米面刚好切过狄拉克点。同时该工作还发现当费米面靠近狄拉克点时,Ir1−xPtxTe2样品会体现出超导电性。且对于费米面刚好位于狄拉克点的样品,其超导电性仍然保持,超导转变温度约为0.15 K。

Ir1−xPtxTe2体系集二类狄拉克锥、费米面可调、超导电性于一身,有希望为二类狄拉克半金属的相关研究提供良好的材料平台,也为拓扑超导和马约纳拉费米子的相关研究提供了可能的平台。

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优信彩票购彩大厅,图: Pt掺杂的IrTe2能带优化策略示意图; Ir1−xPtxTe2的角分辨光电子谱; Ir1−xPtxTe2的超导电性。

(物理学院 科学技术处)

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图12K和27.4T下的5个量子霍尔平台;7.2T下的3/2量子霍尔平台;钴团簇修饰后的重整化群流分析;钴团簇修饰后的反常量子化轨迹与铜团簇修饰后的轨迹。

在该工作中,研究团队试图用磁性团簇沉积的方式来调控拓扑绝缘体表面的两个狄拉克通道。他们发现未修饰的拓扑器件在3特斯拉就开始出现量子霍尔效应。此外,即使在单个表面沉积大量磁性团簇拓扑从而彻底破坏时间反演,也并不能抑制拓扑表面态的量子霍尔效应。施加一个27.4特斯拉的强磁场,扫描栅压仍然可以获得5个整数霍尔平台。这揭示了表面态拓扑保护的强健性。尽管拓扑表面的量子霍尔特性无法彻底抑制,但是有可能会由于磁性团簇而发生滞后效应。在这一思想指导下,课题组在一个中等场附近仔细调控最终获得了3/2的量子霍尔平台。经过重整化群流图分析,这一3/2平台是下表面单个狄拉克通道量子化的结果。

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