从量子霍尔效应发现至今的四十余年间,拓扑体系一直是凝聚态物理研究的重点和热点之一,特别是在关联电子体系的拓扑物态方面发现了十分丰富的物理现象。然而,目前能够对相互作用强度进行可控调节和定量研究的拓扑体系仍然较少。
最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q02/HX-Q02课题组的沈洁特聘研究员、吕力研究员、屈凡明研究员、刘广同研究员和王志俊研究员、石友国研究员等人的合作研究表明,二阶拓扑绝缘体Ta₂Pd₃Te₅边缘态所具有的高度稳定、可延展和易调控的拉廷格(Luttinger)液体行为使其成为一种可以对相互作用进行调控研究的拓扑材料。
Luttinger液体模型是对一维相互作用电子体系进行描述的理论模型。只能在一维链上运动的电子必然会对相邻的电子产生相互作用,使得此时体系不再有单粒子激发,只有集体激发,需要用Luttinger液体模型进行描述。其典型特征是体系中的关联函数均以幂律衰减,且幂指数的大小反映了体系中相互作用的强度(Luttinger参数),体现在输运行为就是电导随能量(如温度或偏压等)的降低而以幂律形式趋近于零。
Ta₂Pd₃Te₅是一种具有准一维链状结构的二维范德华材料,其层间结合能较弱,因此可以通过机械剥离的方法获得大块薄膜且器件化。王志俊团队的理论计算表明,在无相互作用的情况下,单层Ta₂Pd₃Te₅是一种量子自旋霍尔绝缘体新材料。而在考虑电子-空穴相互作用打开能隙后,为二维二阶拓扑绝缘体。
与传统二维一阶拓扑绝缘体具有绝缘体态和无能隙、螺旋型边缘态不同,二维二阶拓扑绝缘体具有绝缘体态、有能隙的边缘态和能隙中的简并角态。
器件输运研究团队对Ta₂Pd₃Te₅薄膜器件进行了系统的输运表征和调控。当费米面处于电荷中性点时,电导随温度和偏压的变化都呈现出典型的三段行为,分别对应着体能隙行为、边缘导电态Luttinger液体行为和边能隙行为。当利用栅压调节费米面远离电荷中性点时,边能隙行为消失。非局域输运测量进一步证实了Ta₂Pd₃Te₅中边缘态的存在。
随后,该团队将重点放在边缘导电态的输运行为上,发现了边缘态电导随温度和偏压的变化均表现出幂律行为,并且满足标度化的特征,这是Luttinger液体行为存在的强有力证据。相较于以往的Luttinger液体行为,Ta₂Pd₃Te₅边缘态中的Luttinger液体行为表现出高度稳定、可延展和易调控的特点。
团队证明了二阶拓扑绝缘体Ta₂Pd₃Te₅的边缘态具有高度稳定、可延展和易调控的Luttinger液体行为,使其不仅成为研究和调控相互作用的新拓扑体系,也为拓扑材料在低温电子学领域的潜在应用提供了出口。