拓樸絕緣體研究的新進(jìn)展

美國普林斯頓大學(xué)的一個(gè)研究組于2010年7月15日在《自然》(Nature 466, 343～346 15 July 2010)雜志上面發(fā)表題為《拓?fù)浔砻鎽B(tài)穿越表面障礙》(Transmission of topological surface states through surface barriers)的文章.在文章中他們用可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了拓?fù)浔砻鎽B(tài)穿越單晶銻材料原子尺度階梯狀表面障礙的傳播規(guī)律，為研究拓?fù)浣^緣材料的性質(zhì)做出了重要的貢獻(xiàn).

按照電子態(tài)結(jié)構(gòu)的不同，傳統(tǒng)意義上的材料被分為“金屬”和“絕緣體”兩大類.而拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物質(zhì)態(tài)，完全不同于傳統(tǒng)意義上的“金屬”和“絕緣體”.拓?fù)浣^緣體是一類由自旋-軌道耦合效應(yīng)導(dǎo)致的新奇量子物態(tài).它的主體具有類似于絕緣體的能隙，而在其表面存在無能隙的金屬態(tài).也就是說這種材料的主體是絕緣的，但電子能通過它的表面流動(dòng).這種表面態(tài)來源于體能帶的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，受時(shí)間反演對(duì)稱性的保護(hù)，需要用零質(zhì)量狄拉克方程描述.這些奇異性質(zhì)使拓?fù)浣^緣體成為自旋電子學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域非常有應(yīng)用潛力的材料.尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學(xué)穩(wěn)定性的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體材料和深入研究它的性質(zhì)成為了眾多物理學(xué)家的研究內(nèi)容.

根據(jù)理論的預(yù)言，電子在流經(jīng)拓樸絕緣體表面呈直角的原子尺度階梯狀障礙時(shí)，不會(huì)發(fā)生背散射(backscatter)，而電子在相同拓樸結(jié)構(gòu)的金屬臺(tái)階前會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的背散射.但普林斯頓小組在論文中指出，“并沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明拓樸表面態(tài)能夠穿越自然形成的表面障礙.”為此該小組以拓?fù)浣^緣材料單晶銻和對(duì)照材料(銅、銀、金)在掃描隧穿顯微鏡(STM)的幫助下做了一組實(shí)驗(yàn)，以研究電子穿越表面障礙的概率.

銻是一種半導(dǎo)體材料，從這個(gè)意義上來講它并非是一種嚴(yán)格的拓樸絕緣體，但它卻擁有拓樸表面態(tài).如封面主圖所示，在實(shí)驗(yàn)中，一塊單晶銻先被加工成一段連續(xù)的階梯，再將這塊晶體置于高真空環(huán)境并將它冷卻到4 K，然后用STM對(duì)其表面進(jìn)行分析.STM對(duì)每級(jí)臺(tái)階的電子能態(tài)密度單獨(dú)進(jìn)行了測(cè)量.在這樣的實(shí)驗(yàn)條件下，單晶銻表面的電子有一種趨勢(shì)是被束縛于每個(gè)臺(tái)階中，然而這些電子又處于拓樸表面態(tài)下有流經(jīng)直角臺(tái)階從盒中“泄漏”流向相鄰臺(tái)階的趨勢(shì).當(dāng)“泄漏”發(fā)生時(shí)，STM生成的圖像就會(huì)將電子能態(tài)密度的變化記錄下來.

通過對(duì)單晶銻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，普林斯頓小組得出其表面電子在經(jīng)過直角階梯時(shí)，通過的概率和發(fā)生散射的概率各占50%；金屬對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示通過的概率為零.根據(jù)理論的預(yù)言，電子在流經(jīng)拓樸絕緣體表面呈直角的原子尺度階梯狀障礙時(shí)，不會(huì)發(fā)生背散射，而實(shí)驗(yàn)中散射發(fā)生的概率達(dá)到50%.對(duì)此該小組在論文中解釋說，這是因?yàn)殇R晶體的電子態(tài)要比其他拓樸絕緣體材料的表面電子態(tài)復(fù)雜，其表面電子能否通過階梯還要決定于它的自旋狀態(tài).銻的能級(jí)結(jié)構(gòu)和自旋性質(zhì)決定了它的表面電子在臺(tái)階上同時(shí)具有通過和散射兩種可能.

表面電子能否穿越障礙并不完全由拓樸表面態(tài)決定，這是該論文的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn).但是在論文中，普林斯頓小組還指出，雖然STM在研究銻表面電子時(shí)工作得非常好，但是這種實(shí)驗(yàn)方法并不適合用來研究背散射小得多的那些拓樸絕緣材料.

我國于1987年建成并向國內(nèi)外開放的表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也從事拓樸絕緣材料的研究.封面下面的小圖是該實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的一部分實(shí)驗(yàn)裝置，其中有功能強(qiáng)大的超高真空原位生長和表面分析系統(tǒng)，可將STM針尖原位替換成四點(diǎn)微探針進(jìn)行表面輸運(yùn)性質(zhì)的測(cè)量.原位切換STM模式/四探針輸運(yùn)測(cè)量模式，為獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì).

資料來源：Nature官方網(wǎng)站、中科院物理所表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站