北理工团队与普林斯顿大学合作发现室温量子自旋霍尔边缘态存在的证据
近日，澳门新莆京娱乐娱城物理学院姚裕贵团队与普林斯顿M. Zahid Hasan团队等合作，在高质量的Bi4Br4单晶材料表面观察到室温下的量子自旋霍尔边缘态，在实验上验证了姚裕贵团队于八年前提出的理论预言[Nano Lett. 14, 4767 (2014), NJP 17, 015004 (2015)]，也为进一步实现室温下的量子自旋霍尔效应带来了希望。相关结果发表在近期的Nature Materials上，姚裕贵团队成员王秩伟研究员为文章共同一作。
量子自旋霍尔绝缘体是一类体态绝缘、边缘导电的二维新奇体系，其边缘态是由体态拓扑性质导致的，不会受到非磁杂质的背散射，可实现理想的无耗散导电通道，在低能耗电子器件中有着巨大的应用前景。寻找和实现室温下的量子自旋霍尔绝缘体及其边缘态是通向相关器件应用的关键，姚裕贵团队及其合作者十多年来一直致力于寻找和研究大能隙的量子自旋霍尔绝缘体实现室温下的量子自旋霍尔效应。2014年姚裕贵教授和博士生周金健等预言了一种可行的大能隙量子自旋霍尔绝缘体材料，即Bi4Br4和Bi4I4体系。Bi4Br4单晶是具有层状结构的半导体，层间耦合是弱的范德瓦尔斯作用，理论计算发现其单层结构是量子自旋霍尔绝缘体且体能隙远高于室温条件[Nano Lett. 14, 4767 (2014)]。研究还发现Bi4Br4是探测室温量子自旋霍尔绝缘态的绝佳材料体系，一方面单层Bi4Br4是由无限长的一维链并排组成，链间的耦合相比链内耦合很弱，这种准一维结构特性有利于形成原子级平整的边缘，另一方面，由于极弱的层间耦合，量子自旋霍尔绝缘态可以稳定地存在于单晶Bi4Br4表面的台阶边缘上[NJP 17, 015004 (2015)]。
此后，依托学校量子物理实验中心平台，姚裕贵团队对Bi4Br4和Bi4I4体系展开了全链条式的理论与实验研究：理论上发现单晶beta-Bi4Br4和beta-Bi4I4是弱拓扑绝缘体[PRL 116, 066801 (2016)]并被发表在Nature上的实验工作所证实；团队还迅速制备了高质量的Bi4Br4单晶，并获得了专利；利用高压技术，在压力调控下同时观测到超导现象和拓扑性质，表明该体系有可能是拓扑超导体[PNAS 116, 17696 (2019]；结合光学技术，发现边缘存在较强的红外吸收，且拓扑边缘态上激发载流子寿命远长于体态，表明该材料有应用于红外光学和光电探测的潜力; 把Bi4Br4作为饱和吸收体应用到光纤激光器中，得到稳定的红外脉冲激光输出[APL 120, 053108 (2022)]. 更多相关工作见姚裕贵教授受邀撰写该体系的研究综述[Adv. in Phys. X, 7:1, 2057234 (2022)]。
最近姚裕贵团队和普林斯顿大学团队合作，利用矢量磁场和变温STM在Bi4Br4样品表面观察到室温量子自旋霍尔态，验证了团队于2014年提出的理论预测。姚裕贵团队利用自助熔的方法制备高质量的Bi4Br4单晶样品，STM测量结果显示Bi4Br4的体态具有260 meV的绝缘能隙，如图1(e)所示；而在单层台阶边缘处具有能隙内的零能隙边缘态，如图2(d)所示，表明拓扑体态-边缘对应。进一步外加磁场可以使得零能隙边缘态产生一个能隙，这与固有的时间反演对称保护相一致，如图2(e)-(f)所示。最后通过观察不同温度下的边缘态，我们发现即便在300K的室温，这种边缘态依然存在，如图3所示。这一发现将进一步推动Bi4Br4材料中高温输运量子化行为的探索，并为该材料未来的实际应用提供坚实材料和物理基础。
图1 观察到一个很大（大约260meV）的绝缘能隙
图2 量子自旋霍尔边缘态的证据以及边缘态随外加磁场的响应
图3 观察到室温量子自旋霍尔边缘态
本工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、中科院先导项目等相关项目的支持。