2月12日，一項(xiàng)由來自ALBA同步加速器等多個(gè)國(guó)際機(jī)構(gòu)的研究人員共同參與的研究取得了重要進(jìn)展，為二維(2D)拓?fù)浣^緣體和磁性拓?fù)浣^緣體(IMTI)接觸時(shí)的電子特性提供了關(guān)鍵見解。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《材料今日進(jìn)展》雜志上。

這項(xiàng)研究聚焦于如何在MnBi?Te?家族化合物上外延生長(zhǎng)鉍雙層(Bi-BL)，從而形成具有潛在應(yīng)用價(jià)值的混合電子態(tài)。拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域因其獨(dú)特的無耗散邊緣態(tài)特性而備受矚目，這些邊緣態(tài)能夠承載電流而不會(huì)損失能量，為創(chuàng)建超低功耗電子設(shè)備提供了可能。而磁性拓?fù)浣^緣體，如MnBi?Te?，則因其內(nèi)在的磁序而展現(xiàn)出奇異的量子相，如量子反常霍爾(QAH)效應(yīng)和軸子絕緣體態(tài)，為下一代量子技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。

二維拓?fù)浣^緣體與IMTI的結(jié)合被看作是產(chǎn)生具有可調(diào)陳數(shù)的新量子態(tài)的有效途徑，這將極大提升材料的電子特性控制能力和實(shí)際應(yīng)用潛力。本研究旨在合成并表征由MnBi?Te?家族材料上的Bi雙層組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以探索其獨(dú)特的電子特性。

研究小組結(jié)合角分辨光電子能譜(ARPES)和密度泛函理論(DFT)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)鉍雙層與MnBi?Te?的表面拓?fù)鋺B(tài)相互作用，形成了類狄拉克界面態(tài)。盡管鉍雙層的整體能帶結(jié)構(gòu)在IMTI基底上保持不變，但表面拓?fù)錉顟B(tài)的混合卻隨基底而變化。這一發(fā)現(xiàn)表明，Bi和IMTI的電子態(tài)雜化可以設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)高陳數(shù)量子態(tài)，從而擁有多個(gè)無耗散邊緣傳導(dǎo)通道，這將顯著提升量子器件的性能。

同步加速器光技術(shù)在本次研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，特別是在ALBA的LOREA光束線上進(jìn)行的高分辨率ARPES測(cè)量，精確繪制了不同光子能量下的電子結(jié)構(gòu)，證實(shí)了混合界面態(tài)的存在，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些新異質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測(cè)。此外，同步輻射光源還有利于進(jìn)行溫控實(shí)驗(yàn)，確保了電子特性的穩(wěn)定性。

此次研究不僅代表了利用Bi-BL/IMTI異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生高陳數(shù)量子態(tài)的重大進(jìn)展，還成功展示了外延生長(zhǎng)、混合電子態(tài)以及具有交換分裂的一維邊緣態(tài)的出現(xiàn)。

雙層沉積之前(底部光譜)和之后(頂部光譜)的 MnBi?Te? 的 Bi-5d 線的實(shí)驗(yàn)核心能級(jí)光譜和擬合數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是在光子能量為 40 eV 時(shí)獲取的。頂部和底部插圖顯示在初級(jí)電子能量為 80 eV 時(shí)拍攝的相應(yīng) LEED 圖像。 (b、c) 在 Bi 沉積之前 (b) 和之后 (c)，在溫度為 76 K 和光子能量為 21.2 eV 的情況下，MnBi?Te? BZ 的 Γ?M? 方向的寬能量區(qū)域中的 ARPES 色散關(guān)系。