Science | 單層 WTe2 中的高溫量子自旋霍爾效應

2021-01-15 材聲到

本文原發於微信公眾號「材聲到」，微信號「nano-chemistry」。

Observation of the quantum spin Hall effect up to 100 kelvin in a monolayer crystal, Science, DOI: 10.1126/science.aan6003 . 通訊作者：Sanfeng Wu，Valla Fatemi；Pablo Jarillo-Herrero。美國麻省理工學院。

具有時間反演對稱性的二維拓撲絕緣體（TI）也被稱為量子自旋霍爾（QSH）絕緣體，其具有特殊的邊界態（helical edge modes），表現出量子化輸運行為。迄今為止，已被研究的相關體系，包括 HgTe 和 InAs/GaSb 量子阱，其量子輸運行為僅在極低溫下（液氦溫度）可以被觀測到。因此人們試圖尋找高溫拓撲絕緣體，其中二維原子晶體受到研究者的關注。不過目前發現的二維晶體，例如雙層鉍原子構成的二維晶體，通常在結構上和化學上具有不穩定性。

理論計算預言，單層的1T『 相過渡金屬硫族化合物具有非平凡的 Z2 拓撲相，近期的實驗研究也看到了一些初步的跡象。在這篇文章中，作者觀察到了單層 WTe2 中的量子自旋霍爾效應，並且其在高溫（100 K）下也保持 e2/h 量子化電導。作者還發現了外加磁場導致電導量子化的消失（這是因為磁場破壞時間反演對稱性），以及塞曼型能隙出現（這是因為位於體態能隙中的兩個不同自旋的表面態狄拉克錐形成了 Kramers 簡併），這些都確證了體系中時間反演對稱性保護的重要性。

作者認為 100 K 不是極限溫度，在提高器件質量後轉變溫度將更高。由於 WTe2 是一種二維材料，作者認為，通過構築範德華異質結，將有助於研究量子霍爾系統與超導體和磁體在原子尺度的近鄰效應。


圖1 器件結構， h/2e2 附近電阻

圖2 溝道長度和電阻的關係

圖3 磁電導；狄拉克點附近的塞曼型能隙

圖4 100 K 的量子自旋霍爾效應

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