量子材料科學中心在三維拓撲絕緣體表面態研究方面取得重要進展

2020-12-07 北京大學新聞網

近日，北京大學量子材料科學中心劉海文、孫慶豐和謝心澄，與中心訪問學者蘇州大學江華，共同在三維拓撲絕緣體表面態研究方面取得重要進展，研究成果在線發表於7月24日的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 113, 046805 (2014).]

時間反演對稱性保護的三維拓撲絕緣體是近年來凝聚態物理研究的熱點之一，其表面態是螺旋無能隙的並且具有自旋-動量鎖定特性。研究者普遍認為只有通過引入磁性雜質等方式破壞時間反演對稱性後，該螺旋表面態才會打開能隙；而非磁性雜質不會在螺旋表面態中引入背散射。然而，近期發表於Nature Physics 等權威物理期刊中的一系列實驗觀測結果挑戰了這些共識。通過實驗發現：在拓撲絕緣體材料TlBiSe2中摻入非磁性雜質S元素並逐步增大摻雜濃度到10%時，儘管該體系仍是拓撲絕緣體，但表面態出現「奇異」能隙特徵（見圖1）。這一「奇異」能隙與原有理論不符，其物理起源需要理論工作的闡釋。

退相干效應起源於電子-電子或電子-聲子相互作用等非彈性散射機制，它廣泛存在於凝聚態體系中。在最新的研究文章中，量子材料科學中心的研究者系統性地研究了退相干效應對螺旋表面態的背散射及其狄拉克點附近色散關係的影響。通過理論計算，他們發現存在退相干效應時，非磁性雜質散射也會引起螺旋表面態的背散射。進一步地，他們研究發現在退相干效應和長程非磁性雜質的共同作用下，狄拉克點附近的電子態會發生很大程度的背散射。這種背散射能導致狄拉克點附近發生顯著的能帶展寬效應，進而導致「奇異」能隙特徵（見圖2）。該項研究完善了拓撲絕緣體螺旋表面態物理性質的相關理論，並有效解決了原有理論與最新實驗結果的不一致性。

這項研究工作得到國家自然科學基金和國家重點基礎研究發展規劃(973計劃)和中國博士後科學基金等相關項目的資助。

編輯：未天


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