王秩偉：深耕前沿量子拓撲材料

王霞

在前沿研究中，誰掌握了材料誰就掌握了未來。

記者獲悉，北京理工大學物理學院特別研究員、博士生導師王秩偉在拓撲材料性能調控和新材料探索方面進行了長期的研究。最近他們發(fā)現(xiàn)體絕緣拓撲絕緣體材料巨大的負磁阻現(xiàn)象：通過調控材料中電子與空穴之間的電荷相互補償，在三元鉈系拓撲絕緣體中實現(xiàn)了體絕緣特性，并進一步發(fā)現(xiàn)該材料的巨負磁阻現(xiàn)象，這是第一次在拓撲絕緣體材料中發(fā)現(xiàn)巨大的負磁阻現(xiàn)象。該成果發(fā)表在《Nature Communications》上。

拓撲材料包括拓撲絕緣體、拓撲超導體、拓撲半金屬等量子材料，是近幾年發(fā)展起來的前沿科學研究，由于其在自旋電子學、拓撲量子計算、無耗散輸運等方面的潛在應用前景，越來越受到研究者的高度關注和廣泛研究。

“如何實現(xiàn)體絕緣拓撲絕緣體和磁性拓撲絕緣體是拓撲絕緣體領域兩個非常重要的課題，也是實現(xiàn)反常量子霍爾效應的先決條件。到目前為止，只有極少數(shù)幾種拓撲絕緣體具有上述性質。”王秩偉說。

王秩偉帶領團隊通過熔融法合成高質量的體絕緣拓撲絕緣體單晶，并與合作者一起利用紅外光譜和掃描隧道顯微鏡技術研究了體系的體態(tài)和表面態(tài)，發(fā)現(xiàn)材料的體態(tài)和表面態(tài)都可以自發(fā)形成電子水坑的結構。這種電子是水坑結構普遍存在于體絕緣拓撲絕緣體中，并且是導致負磁阻的主要原因。

不僅如此，王秩偉第一次在鉈系列拓撲絕緣體中通過元素摻雜方法獲得鐵磁性拓撲絕緣體材料，并系統(tǒng)研究了體系的鐵磁性和電輸運特性。

拓撲超導體因為被預言在實現(xiàn)拓撲量子計算機方面的潛在前景而越來越受到廣泛研究。

王秩偉在實驗上首次發(fā)現(xiàn)CuxBi2Se3超導體中的向列超導電性。“首先利用我們自己發(fā)展的電化學插層技術獲得高質量的超導體單晶材料，隨后與京都大學Yoshiteru Maeno教授課題組合作，利用低溫轉角比熱測量技術在實驗上發(fā)現(xiàn)該超導材料是具有奇配對的向列超導體，從而揭示該材料是自發(fā)晶體對稱性破缺的拓撲超導體。”他說，“同時我們與復旦大學封東來教授課題組合作，利用掃描隧道顯微鏡技術從超導能隙上觀察到了該材料的向列超導電性。”該發(fā)現(xiàn)平息了人們對該材料是否是拓撲超導體的爭論。

值得關注的是，王秩偉還發(fā)現(xiàn)一種新的可能的拓撲超導體——TlxBi2Te3。利用元素摻雜技術第一次發(fā)現(xiàn)一種基于拓撲絕緣體的p-型摻雜超導體，該成果發(fā)表在《Chemistry of Materials》上；同時他還合成了一種新預言的準一維拓撲超導體Tl2Mo6Se6，并與合作者一起研究了上述兩種材料的電子能帶結構。

王秩偉還致力于探索合成新拓撲半金屬材料，包括外耳半金屬、狄拉克半金屬等新預言的半金屬材料。他們在手性晶體材料CoSi中發(fā)現(xiàn)兩種新的準粒子——自旋-1費米子和雙外耳費米子。首先利用化學氣相輸運法生長出高質量的單晶材料，與合作者第一次在體態(tài)布里淵區(qū)的中心和角上位置分別觀察到自旋-1費米子和雙外耳費米子。這是第一次在實驗上觀察到狄拉克費米子和外耳費米子以外的新型費米子。相關成果發(fā)表在物理學頂級期刊《Physical Review Letters》上，并被選為“Editors Suggestion”和“Featured in Physics”。