用應(yīng)力調(diào)控過渡金屬硫?qū)倩衔锏耐負(fù)浔砻鎽B(tài)及其朗道量子化(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2023-05-12

調(diào)控電子的多種量子自由度，例如自旋、谷、軌道、旋度等是構(gòu)筑新型功能器件的物理基礎(chǔ)。擁有自旋軌道鎖定拓?fù)浔砻鎽B(tài)的拓?fù)淞孔硬牧鲜且粋€研究調(diào)控拓?fù)浔Ｗo(hù)量子態(tài)多自由度的理想材料體系。二維的拓?fù)浔砻鎽B(tài)在強磁場下將會發(fā)生朗道量子化現(xiàn)象，利用朗道能級譜學(xué)，可以精細(xì)測量拓?fù)浔砻鎽B(tài)量子自由度的變化，從而進(jìn)一步調(diào)控量子自由度。近年來研究人員發(fā)現(xiàn)，過渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDs）是一個含有豐富拓?fù)湮镄缘捏w系。例如，TMDs材料NiTe²和PdTe²具有雙拓?fù)湫再|(zhì)，它們既有一個第二類狄拉克錐，又有拓?fù)浔砻鎽B(tài)。因此TMDs提供了一個調(diào)控拓?fù)浔Ｗo(hù)量子態(tài)自由度的理想平臺。然而，基于TMDs的多量子自由度的調(diào)控，尚未實現(xiàn)。

  

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心高鴻鈞研究團(tuán)隊長期致力于探索新型低維層狀材料的原子級精準(zhǔn)構(gòu)筑與新奇量子態(tài)的調(diào)控。該團(tuán)隊的陳輝副研究員等利用極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡，在三分之一氫化石墨烯精準(zhǔn)構(gòu)筑（Adv. Mater. 30, 1801838 (2018)）、石墨烯“折紙術(shù)”（Science 365, 1036 (2019)、磁性外爾半金屬自旋軌道極化子（Nat. Commun. 11, 5613 (2021)）、 “籠目”超導(dǎo)體配對密度波（Nature 599, 222 (2021) 等研究方向上取得了重要進(jìn)展。

 

最近，高鴻鈞院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊研究了TMD拓?fù)浒虢饘俨牧螻iTe²在應(yīng)力調(diào)控下的多重朗道量子化現(xiàn)象。楊海濤研究員和博士生冼國裕生長了高質(zhì)量的NiTe²單晶。陳輝副研究員和博士生黃子豪等利用極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜對NiTe²單晶表面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他們發(fā)現(xiàn)，強磁場下在沒有應(yīng)力的表面區(qū)域，NiTe²的自旋極化拓?fù)浔砻鎽B(tài)發(fā)生朗道量子化，產(chǎn)生一套清晰的朗道能級（圖1）。在有應(yīng)力的區(qū)域，他們觀測到朗道能級發(fā)生劈裂，出現(xiàn)多套朗道能級。通過分析發(fā)現(xiàn)，在單軸應(yīng)（uniaxial strain）的NiTe²表面區(qū)域，存在兩套朗道能級（圖2）；更進(jìn)一步，他們發(fā)現(xiàn)在剪切應(yīng)力（shear strain）的NiTe²表面區(qū)域，存在三套朗道能級（圖3）。朗道能級的劈裂預(yù)示著NiTe²拓?fù)浔砻鎽B(tài)的谷自由度受表面應(yīng)力的調(diào)控。為了進(jìn)一步探究應(yīng)力調(diào)控拓?fù)浔砻鎽B(tài)谷自由度的原理，劉邦貴研究員和肖湘波博士進(jìn)行了第一性原理計算。結(jié)果表明，NiTe²單晶中應(yīng)力破壞了晶格旋轉(zhuǎn)對稱性，導(dǎo)致拓?fù)浔砻鎽B(tài)的谷簡并被打破。拓?fù)浔砻鎽B(tài)的谷分支不再簡并，從而朗道量子化衍生出多套朗道能級（圖4）。其中，單軸應(yīng)力將會部分打破NiTe²晶格的三重對稱性，導(dǎo)致拓?fù)浔砻鎽B(tài)谷簡并被部分打破，產(chǎn)生兩套能級。剪切應(yīng)力則將完全打破三重對稱性，導(dǎo)致拓?fù)浔砻鎽B(tài)谷簡并被完全打破，產(chǎn)生三套朗道能級。

 

該工作是實驗上首次觀測到TMDs材料應(yīng)力調(diào)控的拓?fù)浔砻鎽B(tài)谷極化及其多套朗道量子化。有望在谷電子學(xué)、旋度極化器件和約瑟夫森二極管效應(yīng)器件領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。應(yīng)力調(diào)控多自由度的方式可以拓展到其它擁有類似豐富拓?fù)湮镄缘腡MDs材料，實現(xiàn)新奇量子態(tài)的調(diào)控。相關(guān)論文以Tuning multiple Landau Quantization in Transition-Metal Dichalcogenide with Strain為題發(fā)表在Nano Letters 23, 3274 (2023)上。中科院物理所博士生黃子豪、冼國裕和博士后肖湘波博士為文章的共同第一作者，陳輝、楊海濤和劉邦貴為通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金（61888102，52022105，11974393）、科技部（2018YFA0305800，2019YFA0308500）、中國科學(xué)院（XDB33030100，XDB30000000，YSBR-003，ZDBS-SSW-WHC001）的支持。

 

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c00110

圖1. 磁場條件下NiTe²單晶無應(yīng)力表面區(qū)域拓?fù)浔砻鎽B(tài)的朗道量子化 

 

圖2. NiTe²單晶單軸應(yīng)力表面區(qū)域觀測到兩套朗道能級 

 

圖3. NiTe²單晶剪切應(yīng)力表面區(qū)域觀測到三套朗道能級

 

圖4. 應(yīng)力調(diào)控的拓?fù)浔砻鎽B(tài)谷極化導(dǎo)致出現(xiàn)多套朗道能級