從量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)至今的四十余年間,拓?fù)潴w系一直是凝聚態(tài)物理研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一,特別是在關(guān)聯(lián)電子體系的拓?fù)湮飸B(tài)方面發(fā)現(xiàn)了十分豐富的物理現(xiàn)象,如分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、拓?fù)淠亟^緣體、強(qiáng)關(guān)聯(lián)陳絕緣體、量子自旋液體、拓?fù)涑瑢?dǎo)等等。然而,目前能夠?qū)ο嗷プ饔脧?qiáng)度進(jìn)行可控調(diào)節(jié)和定量研究的拓?fù)潴w系仍然較少。最近,中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心Q02/HX-Q02課題組的沈潔特聘研究員、呂力研究員、屈凡明研究員、劉廣同研究員和王志俊研究員、石友國(guó)研究員等人的合作研究表明,二階拓?fù)浣^緣體Ta2Pd3Te5邊緣態(tài)所具有的高度穩(wěn)定、可延展和易調(diào)控的拉廷格(Luttinger)液體行為使其成為一種可以對(duì)相互作用進(jìn)行調(diào)控研究的拓?fù)洳牧稀?
Luttinger液體模型是對(duì)一維相互作用電子體系進(jìn)行描述的理論模型。只能在一維鏈上運(yùn)動(dòng)的電子必然會(huì)對(duì)相鄰的電子產(chǎn)生相互作用,使得此時(shí)體系不再有單粒子激發(fā),只有集體激發(fā),需要用Luttinger液體模型進(jìn)行描述。其典型特征是體系中的關(guān)聯(lián)函數(shù)均以冪律衰減,且冪指數(shù)的大小反映了體系中相互作用的強(qiáng)度(Luttinger參數(shù)),體現(xiàn)在輸運(yùn)行為就是電導(dǎo)隨能量(如溫度或偏壓等)的降低而以冪律形式趨近于零。Luttinger液體行為在以往眾多的一維體系(如碳納米管、半導(dǎo)體線、原子鏈等)和高維體系的一維邊緣態(tài)中均有發(fā)現(xiàn)。?
Ta2Pd3Te5是一種具有準(zhǔn)一維鏈狀結(jié)構(gòu)的二維范德華材料(如圖1a,b,高質(zhì)量單晶樣品由石友國(guó)團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng),TEM觀測(cè)由張慶華團(tuán)隊(duì)完成),其層間結(jié)合能較弱,因此可以通過(guò)機(jī)械剝離的方法獲得大塊薄膜且器件化。王志俊團(tuán)隊(duì)的理論計(jì)算表明,在無(wú)相互作用的情況下,單層Ta2Pd3Te5是一種量子自旋霍爾絕緣體新材料(PHYSICAL?REVIEW?B?103,?115145?(2021))。而在考慮電子-空穴相互作用打開(kāi)能隙后,為二維二階拓?fù)浣^緣體(也被稱為四極矩拓?fù)浣^緣體,npj?Quantum?Materials?7,?87?(2022))。與傳統(tǒng)二維一階拓?fù)浣^緣體具有絕緣體態(tài)和無(wú)能隙、螺旋型邊緣態(tài)不同,二維二階拓?fù)浣^緣體具有絕緣體態(tài)、有能隙的邊緣態(tài)和能隙中的簡(jiǎn)并角態(tài)(圖1c)。Ta2Pd3Te5中體能隙和邊緣態(tài)的共存很快在馮寶杰團(tuán)隊(duì)的STM觀測(cè)中得到驗(yàn)證(PHYSICAL?REVIEW?B?104,?L241408?(2021))。錢(qián)天團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的ARPES觀測(cè)亦表明了其體態(tài)能隙的存在(圖1d)以及層間弱耦合的特性,這一特性為后續(xù)研究Luttinger液體行為的延展性提供了基礎(chǔ)。?
器件輸運(yùn)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)Ta2Pd3Te5薄膜器件進(jìn)行了系統(tǒng)的輸運(yùn)表征和調(diào)控。當(dāng)費(fèi)米面處于電荷中性點(diǎn)時(shí),電導(dǎo)隨溫度和偏壓的變化都呈現(xiàn)出典型的三段行為(圖1f,g),分別對(duì)應(yīng)著體能隙行為、邊緣導(dǎo)電態(tài)Luttinger液體行為和邊能隙行為。當(dāng)利用柵壓調(diào)節(jié)費(fèi)米面遠(yuǎn)離電荷中性點(diǎn)時(shí),邊能隙行為消失。非局域輸運(yùn)測(cè)量進(jìn)一步證實(shí)了Ta2Pd3Te5中邊緣態(tài)的存在(圖2)。這些都符合二階拓?fù)浣^緣體的特征。?
隨后,該團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)放在邊緣導(dǎo)電態(tài)的輸運(yùn)行為上,發(fā)現(xiàn)了邊緣態(tài)電導(dǎo)隨溫度和偏壓的變化均表現(xiàn)出冪律行為,并且滿足標(biāo)度化的特征(圖3),這是Luttinger液體行為存在的強(qiáng)有力證據(jù)。相較于以往的Luttinger液體行為,Ta2Pd3Te5邊緣態(tài)中的Luttinger液體行為表現(xiàn)出如下幾個(gè)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):1.高度穩(wěn)定。在幾乎所有測(cè)量的樣品中均可觀測(cè)到;2.可延展。由于層間弱耦合的特性,Luttinger液體行為在微觀(幾層)到宏觀(百微米)樣品中均可穩(wěn)定存在,并且對(duì)應(yīng)的邊緣態(tài)電阻率近似相同(圖4a);3.易調(diào)控。其冪指數(shù)(反映相互作用強(qiáng)度的大?。┛呻S柵壓而調(diào)制(圖4b),且Luttinger液體行為出現(xiàn)的溫區(qū)也可隨樣品的厚度而調(diào)制,因此可得到樣品體態(tài)費(fèi)米液體行為、邊緣態(tài)Luttinger液體行為、邊緣態(tài)能隙行為隨溫度和厚度變化的相圖(圖4c)。?
總結(jié)如下,團(tuán)隊(duì)證明了二階拓?fù)浣^緣體Ta2Pd3Te5的邊緣態(tài)具有高度穩(wěn)定、可延展和易調(diào)控的Luttinger液體行為,使其不僅成為研究和調(diào)控相互作用的新拓?fù)潴w系,也為拓?fù)洳牧显诘蜏仉娮訉W(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用提供了出口。例如,體態(tài)和邊緣態(tài)共存的特性使得該材料電阻在高溫下表現(xiàn)半導(dǎo)體式的指數(shù)迅速上升趨勢(shì),該趨勢(shì)往往導(dǎo)致傳統(tǒng)半導(dǎo)體溫度計(jì)在更低溫度因電阻過(guò)大而無(wú)法使用的缺陷;但該材料的電阻趨勢(shì)在低溫下因邊緣態(tài)的Luttinger液體行為增長(zhǎng)變緩,直到毫開(kāi)爾文溫區(qū)都保持在適合精確測(cè)量的阻值范圍。所以,團(tuán)隊(duì)有效利用這種特性制作了毫開(kāi)爾文到室溫的大量程拓?fù)湫蜏囟扔?jì),相關(guān)設(shè)計(jì)已得到國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)(圖4d,專利號(hào):ZL?2022?1?0473035.1)。?
上述相關(guān)成果以“A?robust?and?tunable?Luttinger?liquid?in?correlated?edge?of?transition-metal?second-order?topological?insulator?Ta2Pd3Te5”為題發(fā)表于《Nature?Communications》,物理所博士研究生王安琪、博士后李宇鵬、楊光(已出站)、閆大禹(已出站)為共同第一作者,沈潔特聘研究員、呂力研究員、王志俊研究員和石友國(guó)研究員為共同通訊作者。北京理工大學(xué)黃元教授在樣品解理和器件制備方面提供了幫助,錢(qián)天研究員、周興江研究員、張慶華副研究員、清華大學(xué)谷林教授等在相關(guān)實(shí)驗(yàn)方面提供了幫助。該新材料的一系列工作在建制化科研項(xiàng)目的支持和指導(dǎo)下正有序進(jìn)行。該工作得到了北京市杰出青年基金、北京市科技新星、國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院、北京市自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置(SECUF)和材料基因平臺(tái)等資助。
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圖1?二維范德華材料Ta2Pd3Te5的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和薄膜器件的基本輸運(yùn)表征。
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圖2?Ta2Pd3Te5薄膜器件的非局域輸運(yùn)測(cè)量。在兩個(gè)相鄰電極上施加電壓,遠(yuǎn)端電極上測(cè)量非局域的電壓響應(yīng)。當(dāng)費(fèi)米面位于體態(tài)能隙中時(shí),低溫下可以觀察到遠(yuǎn)超二維經(jīng)典情況的非局域信號(hào)響應(yīng),表明邊緣態(tài)輸運(yùn)占據(jù)主導(dǎo)。當(dāng)費(fèi)米面調(diào)節(jié)入體態(tài)或者升高溫度,輸運(yùn)信號(hào)逐漸表現(xiàn)出二維經(jīng)典特征,表明體態(tài)輸運(yùn)主導(dǎo)。
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圖3?Ta2Pd3Te5薄膜和塊材中的Luttinger液體行為:電導(dǎo)隨溫度和偏壓呈冪律變化且可標(biāo)度化。
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圖4?高度穩(wěn)定、可延展和易調(diào)控的Luttinger液體行為及其應(yīng)用——拓?fù)湫蜏囟扔?jì)。?