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付英双教授团队在量子材料调控研究领域取得进展
发布时间:2019-02-19

117日,我院付英双教授团队在《ACS Nano》上发表了题为《铋薄膜受二硒化铌衬底调制的新奇电子态和反常超导近邻效应》(Unusual electronic states and superconducting proximity effect of Bi films modulated by a NbSe2 substrate)的研究论文,他们提出利用异质结界面或者层间准共价键相互作用来调控量子材料的物理性质。


二维层状材料如石墨烯、过渡金属硫化物等,层间相互作用将诱导产生丰富的物理和化学性质。例如,单层NbSe2是一种二维的伊辛超导体,超导转变温度比体材料更低,多层NbSe2的相互作用将引入轨道作用并破坏伊辛超导配对。对于MoSe2和黑磷材料,其能隙大小敏感依赖于层间耦合强度。最近实验上发现,二维磁性材料CrI3在单层时是铁磁绝缘体,双层时为层间反铁磁绝缘体。这都说明二维材料的层间耦合对其物性起着至关重要的作用。此外,将两种不同性质的二维材料堆叠形成异质结,可以实现更加丰富的功能。如石墨烯和氮化硼堆叠将出现受摩尔图案调制的局域拓扑序。在两种过渡金属硫化物形成的异质结中,还可能诱导强自旋轨道耦合的长程拓扑极子。但是,当前的研究大部分是聚焦于半导体材料,金属性异质结中电子结构受层间耦合影响所知甚少。如何有效的调控其费米能级附近的电子态密度,将是对二维异质结的能带、输运、热导等物性的显著扩展。


最近,付英双教授团队利用分子束外延技术,在超导性二硒化铌衬底上生长出原子级平整的金属铋薄膜,且层数精确可控。结合低温扫描隧道显微镜和扫描隧道谱技术,他们系统研究了金属性异质结的电子结构和物态性质。当金属铋薄膜厚度大于4层时,表面为(111)相结构,且单层薄膜的边界存在锯齿形zigzag2×1重构两种边界。实验还发现,这两种边界均存在一维的拓扑边界态,但表现出不相同的能量范围和空间扩展,且不受衬底薄膜厚度影响。他们首次从实验验证了理论所预言的双层Bi(111)也是二维拓扑绝缘体(Phys.Rev.B98, 245108, 2018)。


当铋薄膜层厚低于四层时,发生结构相变,成为类黑磷层状结构。不同于Bi(111)表面,Bi(110)的电子结构不仅在横向上受到面内摩尔图案的调制,还会在垂直异质结方向上受NbSe2衬底的影响,费米面附近电子态发生剧烈变化,表现出明显的层厚依赖关系。结合第一性原理计算,他们发现Bi/Bi层间和Bi/NbSe2异质结界面不再是弱耦合的范德瓦尔斯相互作用,而因电荷的重新分布,形成了准共价键的耦合。这种效应改变了Bi(110)表面原子的键长、波函数分布和电子结构,从而产生横向和纵向都受衬底调控的电子态。由于双层铋薄膜的电子态密度在费米能级附近显著增强,这导致铋薄膜表面因超导近邻效应诱导的超导能隙,偏离了传统的指数衰减行为,从而为提高超导临界转变温度提供了新的思路和方法。同时,对Bi(110)/NbSe2异质结的成功调控,也可能应用在微观尺度调控材料的热电性质方面,进而推广到其他复杂的异质结体系。



我院2014级博士生彭浪和中国人民大学物理系博士生乔静思为论文共同第一作者,我院付英双教授、张文号副教授和中国人民大学季威教授为论文共同通讯作者。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金的资助。


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