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徐刚教授在硒化铁薄膜中向列畴界的边缘态上合作研究取得进展

发布日期:2018-10-28    作者:     来源:     点击:

近日,《纳米快报》(Nano Letters)刊发了题为“Edge states at nematic domain walls in FeSe films”的论文。该成果由皇家赌场游戏徐刚教授与清华大学物理系李渭副教授、薛其坤教授(共同通讯作者)合作完成,中心研究生刘斌参与了相关计算工作。

寻找新的拓扑边缘态是凝聚态物理研究的热点。在二维拓扑绝缘体中,其边界上的电子运动不再有能量耗散,这将为未来低功耗电子器件的开发提供可能。作为一种能够实现超导增强、拓扑非平庸边缘态及拓扑超导的新奇材料,硒化铁(FeSe)体系由于较高的超导转变温度,受到了越来越多的关注。低温时,该材料电子结构的旋转对称性发生破缺,沿面内正交方向产生极大的各向异性(向列性,nematicity)。在向列序的形成过程中,材料会自发产生具有相互垂直向列序的畴,而分隔这些畴的边界被称为向列性的畴界。硒化铁材料本身的电子性质已研究的较为清楚,但对其畴界区域,受限于空间分辨率,尚未有系统研究。

利用扫描隧道显微镜技术,实验组发现,电子的向列序在畴界区域被抑制,晶格也被应力拉伸。研究人员在奇偶薄膜的畴界两侧空间上都观察到了两个清晰的位于费米能级上的条状电子态。同时,在畴界的交点处可进一步观察到钉扎在费米能级的束缚态。

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1~20 UC FeSe/STO畴界的边缘态以及电子结构。其中:(a)畴界的三维STM形貌图(b、c)沿(a)中虚线的dI/dV谱,特征峰约移动了~35 meV(d、e)沿着(a)中的虚线在0 meV-10 meV处两个清晰的峰;(f、g)分别为-10 meV0 meV处的电子态密度空间分布。扫描区域和(a)一致。(g)清晰的边缘态。

该研究中,徐刚和刘斌利用第一性原理计算和理论分析,很好地解释了实验观测到的dI/dV谱特征峰以及边缘态的拓扑起源:在畴区域,向列性被抑制,配合涅尔反铁磁构型将会导致dxydyz能带在M点兼并。考虑自旋轨道耦合(SOC)相互作用后,M点的能带简并被破除,并打开了一个拓扑非平庸的能隙。对于奇数层硒化铁薄膜,将会在畴界处存在由时空反演对称性保护的拓扑边界态;对于偶数层硒化铁薄膜,将会在畴界处存在由滑移镜面对称性保护的拓扑晶体边界态。这与通常的二维拓扑绝缘体中的拓扑边界态随奇偶层数改变而震荡出现的现象明显不同。

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2:奇偶FeSe层的能带结构和拓扑边缘态。其中:(a、b)分别表示单层和双层FeSe的计算带结构(c、d)分别表示单层和双层FeSe沿着(110)方向的拓扑边缘态。

多层铁硒薄膜畴界处拓扑边缘态的发现,为未来低功耗电子器件的开发提供了新的候选体系,同时也为在单组分材料中实现拓扑超导性提供了新的思路。

该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、北京未来芯片技术高精尖创新中心、北京市优秀人才青年拔尖项目的资助。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.8b03282