南京大學宋鳳麒王伯根課題組：利用團簇調控拓撲絕緣體獲得單狄拉克通道量子霍爾效應

【成果簡介】

南京大學物理學院、電子學院、中國科學院強磁場科學中心、中國科學技術大學和中科院物理所合作的課題組利用團簇調控拓撲絕緣體獲得單狄拉克通道量子霍爾效應。相關研究成果以“Anomalous quantization trajectory and parity anomaly in Co cluster decorated BiSbTeSe₂ nanodevices”為題，發表在在Nature Communications (Nat. Commun. 8, 77 (2017))上。南京大學物理學院張帥、王銳兩位同學和中科大的皮靂教授為論文的共同第一作者，宋鳳麒教授、王伯根教授、張裕恒教授為論文共同通訊作者，中科院強磁場科學中心和中科院物理所李永慶組提供了關鍵的支持。

【圖文導讀】

圖1利用團簇調控拓撲絕緣體獲得單狄拉克通道量子霍爾效應過程

（a）2K和27.4T下的5個量子霍爾平臺；

（b）7.2T下的3/2量子霍爾平臺；

（c）鈷團簇修飾后的重整化群流分析；

（d）鈷團簇修飾后的反常量子化軌跡與銅團簇修飾后的軌跡。

圖2滯后Landau Level雜化模型

a，c，e和b，d，f分別表示了在霍爾量子化期間Co簇沉積前/后的Landau Level（LL）圖。

【研究內容】

石墨烯、拓撲絕緣體等近來熱點凝聚態體系的核心物理在于狄拉克電子，鑒定狄拉克電子的關鍵指征之一是半整數序列的量子霍爾效應。然而，由于固體對稱性要求非簡并的狄拉克錐總是成對出現，狄拉克電子量子霍爾效應實驗中都只能看到整數平臺。單個狄拉克通道的1/2量子霍爾效應來源于宇稱反常，其觀測十分困難。拓撲絕緣體的兩個狄拉克錐分布在器件的上下兩個表面，這給表面獨立調控實現單狄拉克通道量子霍爾效應并觀測宇稱反常帶來了希望。

在該工作中，研究團隊試圖用磁性團簇沉積的方式來調控拓撲絕緣體表面的兩個狄拉克通道。他們發現未修飾的拓撲器件在3特斯拉就開始出現量子霍爾效應。此外，即使在單個表面沉積大量磁性團簇拓撲從而徹底破壞時間反演，也并不能抑制拓撲表面態的量子霍爾效應。施加一個27.4特斯拉的強磁場，掃描柵壓仍然可以獲得5個整數霍爾平臺（圖1（a））。這揭示了表面態拓撲保護的強健性。盡管拓撲表面的量子霍爾特性無法徹底抑制，但是有可能會由于磁性團簇而發生滯后效應。在這一思想指導下，課題組在一個中等場（7特斯拉）附近仔細調控最終獲得了3/2的量子霍爾平臺（圖1（b））。經過重整化群流圖分析，這一3/2平臺是下表面單個狄拉克通道量子化的結果。

課題組進一步提出了朗道能級雜化的“滯后模型”來理解實驗結果。鈷團簇通過與上表面的反鐵磁交換，會給表面態打開一個能隙。在磁場下，理論發現交換場能隙使得最低的朗道能級從原來的狄拉克點處移動到這個能隙的頂端。因此當磁場從高場下降時，磁性修飾后的朗道能級雜化過程將被推遲，從而就形成了上表面反常的量子化軌跡（圖1（c、d））。同時下表面仍然顯現正常量子化特征，這最終導致了上、下表面的量子化過程發生分離，從而實現了半整數的量子霍爾平臺。

這一實現有兩個重要的前提。一是經過多年努力，課題組獲得了體相絕緣的拓撲絕緣體單晶樣品。該工作中絕緣體塊材的電阻率已經達到10Ωcm以上的數量級，而且不同厚度的器件表現出接近量級的面電導，這證實拓撲表面態已經主導了樣品的輸運。通過進一步的樣品優化，課題組近來已經實現千分之一的霍爾平臺精確度。二是原子團簇修飾的獨特性。理論模型指出磁性顆粒修飾打開的能隙起到了拖延上表面量子化的作用，通過計算分析，這個能隙大小至少為4.8meV。

該工作得到人工微結構科學與技術協同創新中心和固體微結構物理國家重點實驗室的支持，國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及江蘇省自然科學基金等項目的資助。

原文鏈接：http://news.nju.edu.cn/show_article_12_47286

文獻鏈接：Anomalous quantization trajectory and parity anomaly in Co cluster decorated BiSbTeSe₂ nanodevices (Nature Communications,2017,DIO:10.1038/s41467-017-01065-7)

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