北理工團隊在高階拓撲和量子點研究領域取得重要進展
發布日期：2024-11-01 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院姚裕貴、余智明團隊基于拓撲角態，提出了一種全新的電子學概念：角態電子學，并揭示其在量子點領域中有重要的潛在應用。該工作以“Cornertronics in Two-Dimensional Second-Order Topological Insulators”為題發表于物理學頂級期刊《Physical Review Letters》。
在物理學中，自由度是反映系統參數的基本概念。傳統電子器件利用電子的電荷自由度來處理信息。在電子器件中引入自旋和能谷自由度，可以極大地擴展電子器件的功能，并導致自旋電子學和能谷電子學的興起與發展。在物理上，每個自由度都具備獨特的物性，能夠為設計電子器件提供新的可能。因此，在新的物理系統中發現新型自由度并揭示其中的新奇物性，一直是凝聚態物理研究中的核心之一。
最近，高階拓撲絕緣體受到人們的廣泛關注。很多材料在理論上被預言為高階拓撲絕緣體，且部分材料也已被實驗所證實。對于二維二階拓撲絕緣體，其納米盤的角落處可以出現拓撲角態。然而，對拓撲角態的物性和調控研究一直比較遲滯。此外，荷載拓撲角態的納米盤本質上是一種新型的高階拓撲量子點。
研究團隊首先從理論上提出角層耦合的概念以實現電場調控拓撲角態，如圖1所示。基于對稱性分析，團隊給出了可以具有角層耦合的層點群列表，并預測單層TiSiCO家族材料是具有角層耦合效應的二維二階拓撲絕緣體，如圖2（c-d）所示。由于角層耦合，單層TiSiCO的拓撲角態可以通過電場實現連續的、大范圍的和可切換的控制，如圖2（f）所示。此外，單層TiSiCO納米盤在每一個角落有多組拓撲角態。這些拓撲角態間的能隙大小為太赫茲量級，因此可通過太赫茲波段的線偏振光進行激發。更為重要的是，X角落和Y角落處的拓撲角態的光學響應具有角相反的選擇規則，即：激發X角落和Y角落拓撲角態的線偏振光的偏振方向是相互垂直的，如圖3所示。這些特殊的光學性質表明，由單層TiSiCO納米盤構成的新型高階拓撲量子點可以很自然地探測太赫茲波的光強和偏振。相較而言，使用傳統量子點探測太赫茲波需要復雜的設計和工藝、且一般不能直接探測太赫茲波的偏振。此外，高階拓撲量子點還具有能隙對體系尺寸不敏感的優點，如圖4所示。因此，研究團隊提出的角態電子學和高階拓撲量子點為設計具有可調諧帶隙的新型太赫茲器件和角態電子學器件提供全新的可能，具有重要的研究和應用意義。
圖1. （a）二維二階拓撲絕緣體納米盤中的角層耦合。（b）通過電場調控拓撲角態
圖2. （a-b）單層TiSiCO沿紅色路徑計算的Wilson loop。（c）單層TiSiCO納米盤在不同電場下的能級。（d）Ez = 0 時最低一組角態的實空間電荷密度分布。（e）Ez = 0.05 eV/? 時1X和1Y角態的實空間電荷密度分布。（f）1X與1Y角態間的能量差隨電場的變化。
圖3. 單層TiSiCO的X和Y角態具有相反的光學選擇規則。
圖4. (a) 單層TiSiCO納米盤的限域能隨體系尺寸變化。(b) n="7的單層TiSiCO納米盤在不同電場下的能級。
北京理工大學是該工作的第一單位和唯一通訊單位。該工作得到科技部重點研發計劃和國家自然科學基金項目的大力支持。北京理工大學物理學院的姚裕貴教授和余智明教授為論文的共同通訊作者，韓依琳博士生和崔朝喜博士生為論文的共同第一作者。
文章信息：
Yilin Han#, Chaoxi Cui#, Xiao-Ping Li, Ting-Ting Zhang, Zeying Zhang, Zhi-Ming Yu*, and Yugui Yao*; “Cornertronics in Two-Dimensional Second-Order Topological Insulators”, Physical Review Letters, 133, 176602 (2024).
文章鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.176602
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