*【產(chǎn)通社，9月13日訊】南京大學（Nanjing University）官網(wǎng)消息，物理學院李紹春教授課題組在二維拓撲絕緣體研究中取得重大進展。該課題組使用精控分子束外延技術首次生長出大帶隙的二維拓撲絕緣體ZrTe5單層，通過掃描隧道顯微學測量發(fā)現(xiàn)單層ZrTe5具有不同于體結構的兩種全新結構相，并存在高達~250 mV的拓撲非平庸帶隙和邊界金屬態(tài)，為未來實現(xiàn)室溫量子自旋霍爾效應提供了可能的材料平臺。

二維拓撲絕緣體存在絕緣體態(tài)和拓撲保護的導電邊界態(tài)，是實現(xiàn)量子自旋霍爾效應的材料平臺。為了在高溫甚至室溫下觀測到量子自旋霍爾效應，需要大帶隙的二維拓撲絕緣體來有效抑制體電導和熱漲落。然而，目前大多數(shù)的候選材料都表現(xiàn)出窄帶隙甚至負帶隙，僅在很低的溫度下才能觀測到量子自旋霍爾效應。曾有理論預測表明ZrTe5單層可能是具有大帶隙的拓撲絕緣體材料。然而，由于ZrTe5是相圖中最不穩(wěn)定的結構，且對空氣非常敏感，在實驗上很難獲得單層ZrTe5，而通過外延方法直接生長單層ZrTe5更是面臨極大的挑戰(zhàn)。需要強調的是，單晶ZrTe5在近十年來被學術界廣泛關注，很多新奇的拓撲量子現(xiàn)象陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。然而，由于在實驗上一直未獲得成功，對單層ZrTe5的拓撲性質仍然不清楚。

李紹春教授課題組長期致力于二維拓撲絕緣體的實驗探索。早在2016年，該課題組首次利用掃描隧道顯微譜學技術證實了單晶ZrTe5為三維弱拓撲絕緣體。隨后，又利用分子束外延技術成功獲得二維拓撲絕緣體單層1T’-WTe2 并發(fā)現(xiàn)了電子相互作用的庫侖能隙。然而，掃描隧道顯微譜學測量顯示單層1T’-WTe2具有半金屬型能帶（負能隙），不利于量子自旋霍爾效應的觀測。最近，該課題組通過發(fā)展范德華外延方法，進一步提高了外延過程中的溫度和束流精度，首次成功生長出了二維拓撲絕緣體單層ZrTe5。高分辨形貌圖顯示，單層ZrTe5具有兩種不同于體相的新結構相，而這兩種結構分別對應于面內ZrTe3三棱柱的不同排列方式。掃描隧道顯微譜顯示，兩種單層ZrTe5結構均具有體能隙，且高達250 meV左右。如此大的帶隙滿足了在室溫下觀測量子自選霍爾效應的要求。隧道譜學測量還顯示在兩種結構的邊界上都具有魯棒的一維導電邊界態(tài)，通過第一性原理計算，進一步證實了如此大的能隙來源于強自旋-軌道耦合，并且這兩種結構相的邊界態(tài)都是拓撲非平庸的。該發(fā)現(xiàn)為探索室溫量子自旋霍爾效應提供了一個非常理想的材料平臺。

相關成果以“Realization of monolayer ZrTe5 topological insulators with wide band gaps”為題發(fā)表在Nature Communications。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部重點研發(fā)計劃，科技創(chuàng)新2030計劃、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心和江蘇省納米技術重點實驗室的大力支持和經(jīng)費資助。該工作得到了南京大學物理學院邢定鈺院士的悉心指導，由南京大學、中國科學技術大學和蘇州納米所合作完成。南京大學物理學院博士研究生徐永杰和中國科學技術大學博士后曹國花為論文的共同第一作者，南京大學物理學院李紹春教授和中國科學技術大學崔萍教授為論文的共同通訊作者。南京大學李紹春課題組負責實驗設計以及樣品的制備和表征，中國科學技術大學崔萍教授和張振宇教授課題組負責文章中的理論計算部分。中科院蘇州納米所李坊森研究員提供了X射線光電子能譜測量。

查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://www.nju.edu.cn/info/1067/376561.htm，以及https://www.nature.com/articles/s41467-024-49197-x。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）