特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（米測 技術中心）
編輯丨風云
拓撲和相關性的融合代表了追求新的物質量子態領域。將電子關聯引入量子自旋霍爾（QSH）絕緣體可以導致分數拓撲絕緣體和其他奇特的時間反轉對稱拓撲順序的出現，這在量子霍爾和Chern絕緣體系統中是不可能的。
有鑒于此，美國馬薩諸塞州徹斯納特山波士頓學院Ma Qiong，南洋理工大學Chang Guoqing等人報告了TaIrTe4固有單層晶體內的一種新的雙QSH絕緣體，這是由其單粒子拓撲和密度調節電子相關性的相互作用產生的。在電荷中性時，單層TaIrTe4表現出QSH絕緣體，顯示出增強的非局域傳輸和量子化螺旋邊緣電導。從電荷中性引入電子后，TaIrTe4僅在小范圍的電荷密度下表現出金屬行為，但很快進入新的絕緣狀態，這在TaIrTe4的單粒子能帶結構的基礎上完全出乎意料。這種絕緣狀態可能是由范霍夫奇點附近強烈的電子不穩定性引起的，可能會導致電荷密度波（CDW）。值得注意的是，在這個相關的絕緣間隙內，觀察到QSH狀態的復蘇。對CDW間隙中螺旋邊緣傳導的觀察可以橋接自旋物理和電荷順序。雙QSH絕緣體的發現引入了一種通過CDW超晶格創建拓撲平坦微帶的新方法，這為探索時間反演對稱分數相和電磁學提供了一個有前途的平臺。
晶格和電子結構及非常規運輸特性
作者報告了一種新的電子現象，該現象是由范德華單層晶體TaIrTe4中的QSH拓撲和VHS引起的相關性相互作用產生的，即雙QSH絕緣體。塊狀TaIrTe4是一種層狀Weyl半金屬，通過系統地優化制造條件成功地獲得了單層TaIrTe4的固有電子特性。在結構上，單層TaIrTe4具有沿晶體a軸的一維Ta和Ir鏈。在單個晶胞內，有兩條不等價的Ta（和Ir）鏈，通過繞a軸旋轉180°相關。理論預測表明單層TaIrTe4是具有相當大帶隙的QSH絕緣體。作者制造了高質量的雙柵極單層TaIrTe4器件，在十多種設備上觀察到高度一致的行為，遷移率范圍約為10至 400 cm2?V?1?s?1。
圖1 單層TaIrTe4的電子能帶結構、晶格結構和基本電學表征
電荷中性時的QSH狀態
作者首先研究與CNP電阻峰值相關的物理原理，發現CNP電導隨溫度降低而降低，并在30?K以下擴展至平臺，表明存在帶隙。為了估計帶隙的大小，將熱激活擬合應用于CNP處與溫度相關的電導，產生了20到30meV之間的激活間隙。非局域傳輸測量結果表明有限電導平臺源自邊緣態傳導。進一步研究了邊緣狀態的性質，使用兩種器件設計來研究邊緣傳導與溝道長度Lch的關系，發現電阻隨著Lch減小而減小。
圖2 單層TaIrTe4中CNP處的QSH邊緣傳導
有限摻雜時的絕緣狀態
為了進一步探討電子摻雜區域中的電阻峰值的起源，作者展示了更廣泛的載流子密度范圍內的溫度依賴性電導。在n=0時，溫度依賴性表現出絕緣行為，當將載流子密度增加到n?=?3.2×1012?cm?2時，溫度依賴性變為金屬性，進一步將其增加到n=6.5×1012?cm?2再次導致絕緣行為，表明當電子摻雜到一定水平后，由于VHS附近的相關性增強，出現了相關間隙。
圖3 有限摻雜下的緊急絕緣狀態
雙QSH絕緣子
作者探討了新興絕緣態的拓撲性質，初步發現表明，VNL和VL之間的比率在CNP單粒子間隙和第二絕緣間隙內都很大，表明第二間隙內也存在邊緣傳導。通過測量短溝道器件的電導，研究了第二絕緣間隙附近固定短溝道長度的溫度依賴性電導，確定了第二絕緣間隙也表現出具有量子化螺旋邊緣傳導的QSH狀態。作者提供了有力的證據表明單層TaIrTe4是一種新型雙QSH絕緣體，它由兩個QSH狀態組成，兩者都具有標志性的螺旋量子化邊緣傳導。
圖4 單層TaIrTe4中的雙重QSH效應
雙QSH狀態理論
最后，作者提供了該系統的理論分析。首先，第一原理計算表明，低能電子態主要源自Ta 5d軌道；其次，計算揭示了導帶（和價帶）內的鞍點VHS；第三，嘗試了解緊急絕緣狀態，發現Q*超晶格勢的引入導致絕緣間隙的打開，為實驗數據提供了合理的解釋；第四，繼續討論了CDW 場景，并從理論上評估CDW間隙的拓撲，發現CDW間隙確實具有非平凡的QSH狀態，CDW的性質與CDW的周期性密切相關。
圖5 單層TaIrTe4中雙QSH態的理論研究
參考文獻：
Tang, J., Ding, T.S., Chen, H. et al. Dual quantum spin Hall insulator by density-tuned correlations in TaIrTe4. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07211-8
