薛其坤、段文晖研究组在拓扑绝缘体表面态的能带工程方面取得进展

2015年9月29日

      基于拓扑绝缘体的各种拓扑物态的研究面临的最大问题之一是理论预言的各种新奇量子效应很难被观测到,其主要原因是起关键作用的拓扑电子态往往位于拓扑绝缘体与普通绝缘体、磁性、超导等材料的界面,而界面区域往往较材料内部具有更多的缺陷、无序和杂质。发展基于拓扑绝缘体狄拉克表面态的能带工程对于其量子效应的实现至关重要。

     根据拓扑绝缘体的理论,拓扑绝缘体无能隙狄拉克表面态的存在是由其体能带的拓扑性质决定,因此不同于普通的表面态,不会因为表面环境的改变而消失。但是,狄拉克表面态的能量-动量色散关系仍是由拓扑绝缘体表面附近的势能来决定。这个独特的性质意味着可以在不改变拓扑绝缘体体基本性质的前提下,通过改变拓扑绝缘体表面附近的势能有效地对拓扑绝缘体狄拉克表面态进行修饰和调控。
      低维量子物理国家重点实验室博士研究生常翠祖、汤沛哲、冯硝、李康等在导师薛其坤、段文晖、何珂、马旭村的指导下,通过分子束外延技术在拓扑绝缘体薄膜表面通过外延不同种类的拓扑绝缘体构造范德瓦尔斯异质结,实现了在不破坏拓扑绝缘体基本性质的情况下对狄拉克表面态能带结构的调控,并利用第一性原理完美解释了实验中观测到的现象。例如在三维Bi2Se3表面外延一层(~1纳米)Bi2Te3时,其狄拉克表面态的色散关系与Bi2Te3的狄拉克表面态非常类似,却保持了Bi2Se3 体能带结构。该研究提供了一种分别调控拓扑绝缘体能带和狄拉克表面态结构的方法,对拓扑绝缘体的进一步研究和应用具有重要的指导意义。

                                                      

该研究成果以“Band Engineering of Dirac Surface States in Topological-Insulator-Based van der Waals Heterostructures”为题发表在9月23日的Physical Review Letters上。