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上海微系统所在准一维拓扑材料的电子结构研究中取得进展

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维度的降低会显著影响材料的物理化学性质,同时也将引起一系列新奇的量子现象,例如二维材料石墨烯中发现的线性色散。维度对于拓扑材料则更为重要:拓扑材料具有受对称性保护的边缘态,从而使得由缺陷或杂质引起的电子背散射被禁止;进一步将拓扑材料的维度降低到一维则会显著增强电子的各向异性,使边缘态中自旋极化的电子被限制于一维导电通道,从而最大限度地避免散射的发生以达到更高的迁移率、更长的自旋弛豫时间。因此,寻找性质稳定的准一维拓扑材料并研究其电子结构,对开发新一代超低功耗的自旋电子学器件具有指导意义。  近日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员叶茂、乔山团队与日本东京大学教授TakeshiKondo合作,成功制备了一种准一维拓扑材料TaNiTe5,并利用上海微系统所牵头建设的“基于上海光源的原位电子结构综合研究平台”的高精度微聚焦角分辨光电子能谱线站(上海光源BL03U)首次直接观测到了该材料中强弱拓扑序共存的独特电子结构。相关研究成果以Coexistence of Strong and Weak Topological Orders in a Quasi-One-Dimensional Material为题发表于PhysicalReviewLetters

  该研究中,研究人员通过第一性原理计算发现TaNiTe5在倒空间中的Γ-Y方向和Γ-Σ方向分别存在两处能带反转。其中,前者对应的拓扑表面电子态同时在(001)和(010)面上被清晰地观测到,其自旋动量锁定的能带自旋结构也与理论计算结果完美吻合,从而证明了强拓扑序的存在;后者对应的拓扑表面态仅出现在(001)面上,且等能面上呈独特的节点弧状,研究结合拓扑不变量的计算证明了这是弱拓扑序的表现。值得一提的是,Γ-Σ对应于实空间中准一维原子链的方向,因此节点弧型弱拓扑态的发现从微观电子结构层面揭示了TaNiTe5中强各向异性的输运性质的拓扑起源。该工作系统地揭示了TaNiTe5材料中“双拓扑”共存的独特拓扑性质,展示了其在拓扑调控方面的潜力,为设计新型自旋电子学器件提供了平台。

  相关研究工作得到科学技术部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

  论文链接

准一维拓扑材料TaNiTe5的强弱拓扑序共存的电子结构


研究团队单位:上海微系统与信息技术研究所
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上海微系统所在准一维拓扑材料的电子结构研究中取得进展

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