【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院的姚裕貴教授、肖文德研究員、李翔教授團(tuán)隊與北京郵電大學(xué)劉文軍教授合作，在大帶隙二維拓?fù)浣^緣體的直接觀測及其光飽和吸收體中取得重要進(jìn)展。研究成果發(fā)表于國際頂級期刊《Nano Letters》。
二維拓?fù)浣^緣體具有受時間反演對稱性保護(hù)的一維拓?fù)溥吘墤B(tài)。邊緣態(tài)中的電子的自旋和動量相互鎖定，不會被局域無序和非磁性雜質(zhì)散射，產(chǎn)生無耗散的輸運(yùn)邊緣通道，有望廣泛應(yīng)用于低功耗自旋電子器件、拓?fù)淞孔佑嬎愕缺姸囝I(lǐng)域。然而，但在對二維拓?fù)浣^緣體的實驗探索中面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，石墨烯的軌道自旋耦合過于微弱, 在倒空間 K點(diǎn)打開的能隙僅為ueV量級，遠(yuǎn)小于室溫下的熱展寬(~26 meV)，導(dǎo)致其拓?fù)湫再|(zhì)無法被觀測。此外，一些材料，如單元素烯(Xenes)，Bi系材料，過渡金屬硫族化合物(ZrTe5, WTe2)等，已被證實在液氦溫度或更低溫區(qū)表現(xiàn)出較大的帶隙、魯棒的拓?fù)溥吘墤B(tài)。但是目前液氦溫區(qū)下觀測魯棒性的拓?fù)溥吘墤B(tài)的工作還很少。這些都極大限制了對二維拓?fù)浣^緣體的實際應(yīng)用和物性探索。
北京理工大學(xué)姚裕貴教授、肖文德研究員團(tuán)隊長期致力于探索大帶隙、高溫環(huán)境的二維拓?fù)浣^緣體的研究。近年來，該團(tuán)隊利用低溫掃描隧道顯微鏡，在第二類Weyl半金屬TaIrTe4和α-Bi4Br4的單層臺階邊緣，觀測到與臺階邊緣結(jié)構(gòu)無關(guān)的一維拓?fù)溥吘墤B(tài)[Xu Dong et al., ACS Nano 13, 9571-9577 (2019)]，[Xianglin Peng et al., J. Phys. Chem. Lett. 12, 10465-10471 (2021)]，證實單層TaIrTe4和Bi4Br4為二維拓?fù)浣^緣體。該團(tuán)隊還利用中紅外吸收顯微光譜證明了Bi4Br4邊界吸收表現(xiàn)出強(qiáng)烈的偏振各向異性，這與拓?fù)溥吔鐟B(tài)的一維性質(zhì)一致，并測量到邊界態(tài)的載流子壽命顯著增加，達(dá)到納秒量級。這種壽命比大多數(shù)拓?fù)洳牧隙家L，這可以歸因于螺旋邊界態(tài)的線性色散性質(zhì)[Junfeng Han et al., Science Bulletin 68, 417-423 (2023)]。
最近，研究團(tuán)隊選擇電荷密度波材料Ta2NiSe7作為研究體系，通過液氮溫度下的掃描隧道顯微鏡實驗，觀測到單層Ta2NiSe7臺階邊緣處存在對復(fù)雜邊緣幾何構(gòu)型保持魯棒性的一維拓?fù)溥吘墤B(tài)，表明Ta2NiSe7很有可能是一種大能隙二維拓?fù)浣^緣體，有望應(yīng)用于高溫量子自旋霍爾器件。團(tuán)隊還利用脈沖激光實驗研究了Ta2NiSe7的非線性光學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)Ta2NiSe7光飽和吸收體具有高達(dá)52.6%的調(diào)制深度和225 fs的短脈沖持續(xù)時間，超過了先前報道的基于各種拓?fù)浣^緣體的性能。Ta2NiSe7光飽和吸收體具有68.2 dB的信噪比，且可在高達(dá)630 mW的極高功率下穩(wěn)定、長期工作，體現(xiàn)了巨大的應(yīng)用價值。
圖1. 在單層Ta2NiSe7的不規(guī)則邊緣采集的dI/dV譜和dI/dV maps
圖2. Ta2NiSe7的光飽和吸收體的性能
北京理工大學(xué)為該研究工作的第一完成單位。北京理工大學(xué)的肖文德研究員和李翔教授為本文的通訊作者。北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士研究生肖佩瑤為論文第一作者，孫曉東為論文的共同第一作者。北京郵電大學(xué)碩士生陳悅芊進(jìn)行了本論文的光飽和吸收的實驗，為論文的第二作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、以及北京理工大學(xué)物理學(xué)院先進(jìn)光電量子結(jié)構(gòu)設(shè)計與測量教育部重點(diǎn)實驗室、北京理工大學(xué)納米光子學(xué)與超精密光電系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實驗室、北京郵電大學(xué)理學(xué)院信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實驗室的支持。
Peiyao Xiao#, Xiaodong Sun#, Yueqian Chen，Wenjun Liu，Yilin Han，Zhi-Ming Yu，Xiang Li*, Wende Xiao*, Yugui Yao，“Robust Edge States of Quasi-1D Material Ta2NiSe7 and Applications in Saturable Absorbers” Nano Lett. Nano Lett. 24, 10402-10407 (2024) (#為共同一作，*為通訊作者)
URL: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03623
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