北理工物理學院在“硅烯的拓撲物性”研究方面取得新進展
發布日期：2014-10-09 供稿：物理學院
編輯：科學技術研究院 謝非 閱讀次數： 硅烯是一種新穎的二維材料，近年來引起了理論和實驗物理研究上的廣泛關注，已成為新材料領域的研究熱點之一。硅烯具有類似石墨烯的六角蜂窩結構，其低能激發也是無質量的狄拉克費米子，在石墨烯中發現的新奇量子效應，大多數都可以在硅烯中找到相對應的版本。與石墨烯相比，硅烯更容易與當代成熟的硅基半導體工藝兼容，因而在未來的自旋電子學和納米電子學器件領域可能具有廣泛的潛在應用前景。
北理工物理學院姚裕貴研究組一直從事硅烯等類石墨烯材料中新奇物性的研究。2011年他們發現硅烯穩定的起伏結構（如圖1）使硅烯具備大小為1.55 meV的一階自旋-軌道耦合能隙和內稟Rashba自旋-軌道耦合效應，這是石墨烯材料不具備的優勢。在此基礎上，該小組首次預言了硅烯是兩維拓撲絕緣體，可以在實驗上更容易實現量子自旋霍爾效應，并闡明了硅烯中具有大的自旋軌道能隙的物理機制[Phys. Rev. Lett. 107, 076802, 2011，Phys. Rev. B 84, 195430, 2011]。
圖1 硅烯的晶體結構和能帶圖。(a),(b)分別為側視圖和俯視圖。(c)定義了一個起伏角度。(d) 能帶圖。放大的部分為由于自旋軌道耦合作用在狄拉克點打開的能隙結構。
在前期工作的基礎上，該小組研究了雙層硅烯的物理性質，重點關注其中的手性超導性質。手性超導具有非平庸的拓撲性質，將會帶來一系列奇異的實驗現象，比如量子化的邊緣態，自發磁化，以及量子化自旋和熱霍爾效應，此外它還可能會在量子計算等應用方向大有作為。他們發現在雙層硅烯系統中可以實現d波的手性超導[Phys. Rev. Lett. 111, 066804, 2013]，同時超導轉變溫度也可通過應變調控，為實驗上實現手性超導提供了一個很好的材料平臺。
該小組和合作者最近在單層硅烯中引入破缺時間反演對稱性的交換場以及外在的Rashba勢，并考慮了硅烯中本征的自旋軌道耦合以及由于起伏結構導致的特有的內稟的Rashba自旋軌道耦合，發現了一個全新的拓撲量子態--谷極化的量子反常霍爾效應[Phys. Rev. Lett. 112, 106802, 2014]，即同時具有量子反常霍爾效應以及量子谷霍爾效應，其拓撲陳數C=-1，谷陳數Cv=3（圖2）。同時給出了硅烯在內稟Rashba tSO和外在Rashba tR二維參數空間的相圖（圖3）。該量子態在設計低功耗甚至是無耗散的電子器件以及谷電子學中有著重要的應用價值。
圖2 (a) 硅烯中谷極化的量子反常霍爾效應的Berry 曲率倒空間二維分布。(b) 該Berry 曲率分布沿ky=0的高對稱線的分布。(c) 硅烯zigzag納米帶的能帶結構。黑色的代表體態，彩色的表示邊界態，其中紅色和藍色表示相反的邊界。(d) 谷極化的量子反常霍爾效應示意圖。
圖3 硅烯在內稟Rashba tSO和外在Rashba tR二維參數空間的相圖。點線代表相邊界。相I和相III是陳數C=2的量子反常霍爾態，相II是陳數C=-1，以及谷陳數Cv=3的谷極化量子反常霍爾態。
除了上述理論方面的研究，姚裕貴課題組還與中科院物理所課題組合作在硅烯實驗方面取得重要進展，目前已在Ag（111）面上合成了硅烯[Phys. Rev. Lett. 109, 056804, 2012, Nano Letters, 12, 3507, 2012]。
姚裕貴課題組關于硅烯拓撲物性的系列研究工作，已引發了這一領域的研究熱潮，如2011發表的理論文章已被分別引用337和162次(from Google Scholar )。
姚裕貴教授自2011年底入校工作以來，在科研方面取得了優異成績，其中以通信作者發表了4篇Phys. Rev. Lett.以及1篇Nano. Lett文章，2012年獲得國家杰出青年科學基金資助，2013年入選教育部長江學者獎勵計劃。
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