《科学 进展》报道物理系关于拓扑绝缘体的狄拉克电子态研究进展

2019年5月20日

如何有效地理解和操控无质量的狄拉克电子态是近年来凝聚态物理的一个重要研究方向。拓扑绝缘体和石墨烯等材料中的无质量狄拉克电子态由二分量的旋量波函数描述,这分别来源于两种材料中真实的电子自旋和亚格子自由度。二分量和无质量的特性导致狄拉克电子不会发生背散射,对势垒具有较高的穿透性。由于势垒处高反射率只发生在掠角情况,所以对狄拉克电子的束缚一般只能在圆形或者带状量子围栏中才能实现。

最近,清华大学物理系马旭村研究员、薛其坤教授与华东师范大学蒋烨平研究员合作,在铋/碲化铋(Bi/Bi2Te3)正三角形的量子围栏结构中发现了狄拉克电子随能量变化的选择性束缚行为,其原因与碲化铋表面态中较强的弯曲(warping)效应密切相关。

图1:(A) 铋/碲化铋等边三角形量子围栏中的束缚态。(B)随能量变化的束缚和反束缚行为。(C)不同能量上束缚态对应等能面上不同方向的电子态。

实验上,该研究团队首先利用分子束外延生长技术在碲化铋薄膜上制备出了铋的双层膜结构,构筑了等边三角形的量子围栏。利用低温扫描隧道谱技术,他们研究了不同能量下量子围栏中电子态密度的变化。和圆形的围栏不同,三角形量子围栏对于狄拉克电子应该几乎是透明的。实验结果也证明了这一点,尤其是这种透明性在低能处表现的更为显著。在更低的以及更高的能量处,他们还观察到了性质不同的狄拉克电子束缚态。这些处于不同能量的束缚态来源于三种不同的束缚机制:(1)双重的费米面。在这种情况下,背散射不再被禁止,这有利于狄拉克电子的束缚。(2)凹型的费米面。在这种情况下,势垒处的束缚态可能具有磁性,背散射禁止也被打破。(3)电子在`G-`K方向具有越来越大的自旋面外分量,自旋-动量螺旋特性发生改变。这种情况下,`G-`K方向电子态之间的散射几率大大提高,有利于这个方向电子态的束缚。在该体系发现的狄拉克电子的反束缚行为、束缚的方向选择性及选择性机制等现象,为有效地操控狄拉克电子态提供了新的思路。

该工作以“Selective trapping of hexagonally warped topological surface states in a triangular quantum corral”发表在2019年5月17日的Science Advances上。陈牧博士(清华大学物理系2007级博士生)为文章的第一作者,华东师范大学蒋烨平研究员、清华大学马旭村研究员和薛其坤教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、青年千人计划、清华大学北京未来芯片技术高精尖创新中心的资助。

文章链接:https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaaw3988