Monolager har kanten | naturfysik

Monolager har kanten | naturfysik

Anonim

ämnen

  • Elektroniska egenskaper och material
  • Topologisk fråga

Den här artikeln har uppdaterats

Två studier visar bevis på att enstaka skikt av en övergångsmetalldikalkogenid är tvådimensionella topologiska isolatorer.

Den teoretiska förutsägelsen för drygt ett decennium sedan av topologiska isolatorer - bulkisolerande material med spiralformande gränslägen som har ett topologiskt ursprung - antände området för topologiska material 1, 2 . Ett kännetecken för detta område har varit den ledande rollen för teorin när det gäller att förutsäga inte bara nya topologiska fenomen utan också specifika materialsystem där det kan observeras. Två grupper skriver i Naturfysik och visar att detta paradigm är levande och väl genom att presentera experimentella bevis som stöder förutsägelsen 3 att fristående monolager av volfram ditelluride (WTe 2 ) är tvådimensionella topologiska isolatorer (2D TI) 4, 5 .

Experimentella förverkliganden av 2D TI, som har en-dimensionell motförökande kantlägen för motsatt snurr (spiralformade lägen), har fokuserat på heterostrukturer, såsom Hg / CdTe kvantbrunnar 6, eftersom kvantinneslutning kan inducera den inverterade bandstrukturen som krävs att uppnå ett sådant tillstånd. Men förverkligandet av en 2D TI-fas i ett fristående lager utanför en heterostruktur skulle medföra spännande möjligheter, som att möjliggöra integration med andra 2D-material i designer van der Waals heterostrukturer, samt möjliggöra direkt tillgång till materialet med ytprober.

2014 förutspådde en studie med beräkningar av första principer att monolager av övergångsmetalldikalkogenider skulle kunna vara 2D TI: er om de existerar i en viss förvrängd strukturell fas, eftersom den strukturella distorsionen skulle inducera en inverterad bulkbandstruktur som liknar den orsakad av kvantitet inneslutning 3 . Och i närvaro av stark koppling mellan spinn och omloppsbana skulle övergångspunkterna för dessa inverterade band spridas ut och bilda en tvådimensionell topologiskt icke-trivial isolator. De starka spin-orbit-effekterna av WTe 2, drivna av dess tunga beståndsdelar, och den naturliga affiniteten mot den strukturella fasen som krävs för att se sådana effekter, känd som 1T ′-fasen, gjorde det till en särskilt lovande kandidat.

Två egenskaper som är nödvändiga för att bekräfta 2D TI-beteende i ett kandidatmaterial är (1) att bulkbandstrukturen är gapad och (2) att kanterna på provet är värdelösa gapformiga spiralformer som var och en uppbär en ledning av e 2 / h . En slående aspekt av de två nuvarande undersökningarna av 1T′-WTe 2 som kandidat 2D TI är att de drar nytta av den fristående karaktären för att möta dessa krav och gör det på ett mycket komplementärt sätt.

Shujie Tang och kollegor odlade monolager av 1T′-WTe 2 med användning av molekylstråleepitaxi (MBE) på tvåskiktsgrafen 4 (Fig. 1 till vänster). Efterföljande spektra tagna med användning av fotoemission och skanning av tunnelmikroskopibaserade tekniker visade ett stort bandgap i storleksordningen 50 meV, vilket är en storleksordning större än i tidigare kvantbrunns realisering av 2D TI. Demonstration av blandning mellan ledningsbandets och valensbandens omloppskaraktär ger bevis på att denna bulkbandgap är topologiskt icke trivial. Vidare antyder en markant skillnad i lokal täthet av tillstånd mellan bulk och kanter på monolag, bestämd genom tunnelspektroskopi, antyder att kanterna leder - som förväntat i en 2D TI.

Bild i full storlek

Som komplement till denna spektroskopiska vy rapporterar Zaiyao Fei och kollegor en direkt sond av kantledning i 1T′-WTe 2 monolag med elektrisk transport 5 . Men istället för att använda MBE-odlade monolager, studerar de mekaniskt exfolierade flingor från bulkkristaller av 1T′-WTe 2 inkapslade i kemiskt inert hexagonal bornitrid (hBN) (Fig. 1, höger). Med dessa apparater demonstrerar de att monolag uppvisar konduktans i bulkbandgapet som är lokaliserat till kanten och kvarstår upp till cirka 100 K - parallellt med den stora temperaturskalan för bandgapet som detekterats av Tang och kollegor.

Också viktig är observationen att transportegenskaperna är känsliga för antalet 1T 1-WTe 2- lager i den exfolierade stacken. De spiralformade lägena som är karakteristiska för 2D TI: er är skyddade från backspridning med tid-reverseringssymmetri, eftersom en sådan spridning kräver omvändning av elektronens snurr. Men när två 2D TI-lager är staplade ihop skyddar inte tidsförskjutning mot mellanlagers bakspridning och tillåter istället en högerrörande elektron att spridas till ett vänsterrörande tillstånd genom att hoppa till det intilliggande lagret. I direkt korrespondens har Fei et al . observera att ett tvåskikt med 1T′-WTe 2 visar dramatiskt reducerat konduktans i bulkbandgap jämfört med monolageret. Som en förlängning av detta finner de också att genom att uttryckligen bryta tid-reverseringssymmetri med ett magnetfält visar monolagets kantledningsförmåga tecken på att ett gap öppnas, som man kan förutse för en 2D TI.

Steg kvarstår dock innan fallet för 1T′-WTe 2 som en 2D TI är klar. Övergripande bland dessa är iakttagandet av kvantisering av kantledningen vid det förutsagda värdet på e 2 / h . I de smalaste kantanordningarna med 150 nm kontaktavstånd den största kantledningen som observerats av Fei et al . är ungefär hälften av det teoretiska värdet - de antyder att en stark oordning som är inneboende i deras flingors exfolierade natur kan vara den skyldige. Det kan då vara så att MBE-odlade material enligt Tang et al . kan vara plattformen för att förverkliga kvantisering i kantlägena och kvantitativt bevis på deras icke-lokala natur - om ett icke ledande substrat användes.

Det är också anmärkningsvärt att även om den fristående karaktären hos dessa material är en nyckelfaktor i deras nyhet, anstränger man sig i båda experimenten för att isolera dem i inerta heterostrukturer för skydd. Vridning av detta mot gränssnitt med andra nya material (2D eller annat) är en spännande möjlighet som kan se 2D TI: er som används för att förverkliga förutsägelser om ännu mer exotiska topologiska faser 7 .

Förändra historien