杜瑞瑞组在自旋量子霍尔材料研究中持续取得进展

    北京大学量子材料中心杜瑞瑞教授领导的课题组近期在自旋量子霍尔材料研究中持续取得新成果。一项工作发现在InAs/GaSb量子自旋霍尔绝缘体中存在能隙内的非常规磁阻振荡，并清楚地展示了这种振荡来自于绝缘的体态，让人们对量子振荡和费米面有了重新的认识。另一项工作实现了在InSb(111)衬底上外延生长高质量stanene，并首次制备输运器件观察到SdH振荡。

        众所周知，金属的磁阻振荡来自于带电粒子在磁场下的朗道量子化。这一现象已被人们广泛认可，并作为一种标准的测量手段用于探测金属的费米面。近来有实验组在三维的近藤绝缘体中观测到了一类非常规的磁化率振荡(Science 349,287（2015) )，这一发现颠覆了人们对于量子振荡的传统认识并引发了广泛的研究和讨论。但目前这一类三维材料无法完全排除表面态导致振荡的可能性。然而在二维的拓扑绝缘体中，通过设计不同几何形状的器件，体态和边缘态的信号可以完全被区分。本工作报道了在二维的InAs/GaSb量子阱中观测到的能隙内振荡，并证实这一振荡来源于绝缘的体态，这意味着量子振荡可以不需要费米面而存在。另外，实验发现当费米能级跨过能态边缘进入能隙时，振荡频率会出现一个突变，这个结果提示在能隙中，由于屏蔽作用的减弱，带间电子空穴相互作用必须被考虑。平行磁场响应的数据进一步印证了这一猜测，震荡在平行磁场下的稳健性显示了单粒子图像在此处是失效的，这个系统中存在多体相互作用甚至可能的拓扑激子绝缘态。这个新的拓扑量子态实际上已经在同样的InAs/GaSb材料中被观测到 (Nat. Commun. 8,1971(2017))。该工作首次从实验上澄清了能隙内震荡的来源，让人们对量子振荡和费米面有了重新的认识。

图1：(a)体态电导随前门电压V_f以及垂直磁场B_⊥变化的二维图。数据在300 mK下通过Corbino器件测得。(b)同时测到的电导和电阻震荡呈现180度相位差，证实了震荡起源于绝缘态。（c）虚线和红线分别为费米能级在金属态或绝缘态的理论计算能带图，解释了SdH振荡频率跃变。

         相关文章发表于《物理评论快报》Phys. Rev. Lett. 123, 126803 (2019)。博士研究生韩中东为第一作者，科学院大学张龙和北京大学杜瑞瑞为通讯作者。上述研究得到国家重点基础科学研究计划（973计划）、国家自然科学基金等项目经费的资助。

      理论预言单层alpha-Sn（锡烯-stanene）为具有较宽带隙的二维拓扑绝缘体，有望实现室温下的自旋量子霍尔效应。近期，我们实现了在InSb(111)衬底上外延生长高质量单层与多层stanene，并通过STM以及低温输运等方法对薄膜的质量与性质进行了分析表征。扫描隧道能谱（STS）的实验结果显示单层stanene具有大于0.2 eV的带隙，满足室温自旋量子霍尔相应对材料能带结构的要求，并在薄膜边界处实验观测到了符合理论预期的拓扑边缘态特征。此外，实验证实stanene具有很好的稳定性，当薄膜被置于大气环境较长时间后仍能保持稳定的性质。我们首次通过低温磁输运在stanene薄膜的体态中观测到了SdH 震荡，为在锡烯中观测自旋量子霍尔效应提供了途径。

图2：(a)单层锡烯的STM图像；（b）STS在体态与边缘处的谱线显示边缘态的存在；（c）边缘处的隧穿电导图显示出边缘处的高电子态分布；（d）垂直磁场下SdH 震荡信号显示其体态性质；（e）垂直磁场下符合1/B等周期震荡；（f）样品在大气环境放置三个月前后的低温输运数据，展示其稳定性。

       相关文章发表于2D Materials DOI: 10.1088/2053-1583/ab42b9.博士后郑晓虎和博士研究生张建峰为第一作者，杜瑞瑞为通讯作者。上述研究得到国家重点基础科学研究计划（973计划）、国家自然科学基金等项目经费的资助。