南科大王干课题组合作团队在拓扑物性研究方向取得系列新进展

2020年06月05日科研新闻

近日，南方科技大学物理系助理教授王干课题组主导的合作团队在斯格明子材料（拓扑磁性）及拓扑界面超导领域取得了系列研究进展。两篇相关研究论文先后在专业学术期刊《纳米快报》（Nano Letters）上发表。

在界面斯格明子材料研究方面，相关论文以“铁磁体/拓扑绝缘体异质结构界面存在磁性斯格明子的证据（Evidence for Magnetic Skyrmions at the Interface of Ferromagnet/Topological-Insulator Heterostructures）”为题，讲述了研究团队对于基于铋（原子序数83，拥有极强的自旋轨道耦合强度（1.5 eV））的二维范德华界面斯格明子材料的探究。

磁性斯格明子是由拓扑保护的纳米涡旋磁结构，其微观的形成机制与非共线性作用（Dzyaloshinskii—Moriya Interaction）有关。该结构在物理上可以被看成一种受拓扑保护的磁准粒子，拥有很长的寿命，可被电流、热、光等条件所驱动。值得一提的是，其存在和消失的这两种状态可以被定义为磁存储中的“1”和“0”状态，使它成为一种颇具潜力的存储信息载体，在未来的自旋电子学和存储领域具有巨大的应用潜力。

理论上，在反演对称性破缺的非磁重金属/铁磁界面处，非磁原子的强自旋轨道耦合属性可以对与之近邻的磁性原子产生强烈的DMI，进而在界面中引入磁性斯格明子，这种现象受到广泛的关注。然而，绝大多数研究集中于金属键合界面，有关范德华界面的研究较为少见。近年来，随着二维范德华磁性材料的兴起，二维范德华界面中的磁性斯格明子展现出令人期待的研究和应用前景。

在本项研究中，研究团队利用外延生长技术，结合原位的表面煺火技术，在碲化铋（Bi₂Te₃）薄膜（111）表面获得了连续分布的二维双原子层菱方相铋纳米片（如下图1a所示），并通过在其上外延生长磁性碲化铬（Cr₂Te₃）薄膜，实现了一种铋基磁性范德华异质结的外延生长。研究团队采用扫描隧道电子显微镜技术对界面的晶格结构进行系统表征，观察到界面碲化铬中存在摩尔条纹相（如图1b和1c所示），证实了铋/碲化铬范德华界面的稳定性以及电子态上的相互作用。

图1.（a）碲化铋/碲化铬异质结界面处球差校正电镜图；（b）生长在双层铋上面的碲化铬薄膜的原位扫描隧道显微镜表征结果；（c）碲化铬薄膜中确存在因铋结构调制产生的摩尔条纹相。

通过进一步的对比试验（如下图2a-b），研究团队证明了铋原子双层结构对拓扑霍尔效应的出现起到关键作用，并给出了范德华界面磁性斯格明子存在的实验证据。从理论上分析，由于Bi具有很强的自选轨道耦合作用，且Bi的p轨道和Cr的d轨道杂化极大地增强了Dzyaloshinsky-Moriya(DM)相互作用，因此可能在其与碲化铬的界面处引入磁性斯格明子。研究人员随后利用原子自旋动态模拟验证了猜想（如图2c-d）。

本研究优势在于嵌入的双层Bi纳米片可以通过煺火进行可控制备，因此有望实现更多的范德华磁性斯格明子材料。

图2.（a）双层铋/碲化铬界面异质结的霍尔测量结果，箭头标识的突起为拓扑霍尔效应；（b）碲化铋/碲化铬界面异质结（对比样品，无铋双层结构）的霍尔测量结果，无拓扑霍尔效应；（c）原子自旋动力学模拟磁性斯格明子粒子在双层铋/碲化铬界面的产生；（d）界面处斯格明子的构型（奈尔型）。

王干课题组2017级南方科技大学-新加坡国立大学联培博士生陈俊树为论文第一作者，王干、南科大量子科学与工程研究院研究助理教授李彬、物理系副教授何洪涛和扬州大学副教授席斌为论文共同通讯作者，南方科技大学为论文第一通讯单位。

在拓扑界面超导领域研究方面，相关论文以“FeTe上外延生长单层Bi₂Te₃产生的超导电性（Superconductivity in Single-Quintuple-Layer Bi₂Te₃ Grown on Epitaxial FeTe）”为题，讲述了研究团队在铁基拓扑界面超导领域的新发现。

拓扑界面超导作为一种二维体系，不仅可以为研究非常规超导体提供很好的平台，还可以为探测马约拉纳费米子提供研究思路，因此具有很高的研究价值，近些年受到广泛的关注。Bi₃Te₃/FeTe异质结就是一个典型的拓扑界面超导体系，其中FeTe是一种铁硫族化合物（即一种超导母体，但块体并不超导），Bi₂Te₃则是一种典型的拓扑绝缘体，两者都属于二维材料，且层与层间由范德华力连接。有研究证明，此界面结构的超导电性会随着Bi₂Te₃厚度增加而逐渐加强，并在5层Bi₂Te₃时达到饱和，饱和TC约为12 K。然而，目前的研究仍缺乏对于该体系界面超导特性的实验证据，亦缺乏有关其超导产生机理的强有力的理论解释。

在本项研究中，研究团队利用分子束外延方法成功实现了高质量单层Bi₂Te₃/FeTe异质结构的范德华外延（如图3a-d），并且通过电输运实验等方式，在单层Bi₂Te₃上观测到了临界温度高达13 K的超导电性。通过与6层Bi2Te3的对比试验结果（如图3e），研究团队发现不同层厚的Bi₂Te₃/FeTe异质结构超导临界温度并没有发生改变，这意味着这一超导电性与Bi₂Te₃厚度无关。此外，通过配合扫描隧道谱学（STS）对FeTe、单层Bi₂Te₃/FeTe、两层Bi₂Te₃/FeTe的分析（如图4），研究团队证明了仅需单层Bi₂Te₃即可诱发超导产生，证实了该体系的界面超导特性。

图3.（a）扫描隧道显微镜（STM）及（b）透射电子显微镜（TEM）观测到的范德华力外延特有的台阶生长模式；（c-d）生长FeTe和Bi₂Te₃时样品表面的反射式高能电子衍射条纹(RHEED)；(e)Bi₂Te₃厚度为单层和六层时的输运结果对比。

图4.（a）生长在FeTe上Bi₂Te₃的原位STM三维视图；（b）FeTe表面原子STM图像；（c）Bi₂Te₃表面原子STM图像；（d）在FeTe、单层Bi₂Te₃和两层Bi₂Te₃平台，以及更厚（约20层）Bi₂Te₃薄膜上获得的STS能谱；（e）在单层Bi₂Te₃上获得的与温度相关的STS能谱；（f）单层Bi₂Te₃/FeTe和（g）两层Bi₂Te₃/FeTe上沿6nm的直线等距位移，而获得的一系列STS能谱；（h）在FeTe、单层Bi₂Te₃和两层Bi₂Te₃平台上获得的宽STS能谱，其中红蓝箭头分别表示单层和两层Bi₂Te₃的特征上升和弯曲位置。

研究团队尝试对该体系的超导产生机理进行探究。通过细致的STS研究，研究团队证明了不同层厚的Bi₂Te₃能带发生大幅度偏移（如图4h）。研究团队利用紫外光电能谱（UPS）测定了不同厚度Bi₂Te₃样品的电子态密度谱，并利用谱线宽度与光子能量做差计算出了对应样品的功函数。通过比较，研究团队发现Bi₂Te₃表面的功函数远大于FeTe表面的功函数，且会随着Bi₂Te₃厚度增加而不断增大并逐渐饱和（如图5）。这证明在Bi₂Te₃和FeTe的界面上存在从FeTe到Bi₂Te₃的电子迁移，从而使得邻近界面处Bi₂Te₃的费米能级上升、功函数减小。这一过程中FeTe的电子流向Bi₂Te₃，相当于FeTe受到空穴掺杂，研究团队认为这种界面掺杂会抑制FeTe中的反铁磁序，从而诱导界面处的超导出现。

图5.（a）和(b)分别为通过UPS测量得到的FeTe及不同厚度Bi2Te3态密度谱；（c）为（b）的低能区域；（d）不同厚度Bi2Te3的功函数比对；(e)界面上电子迁移示意图。

王干课题组研究助理教授秦海浪为论文第一作者，王干、何洪涛、南科大物理系助理教授梅佳伟、教学教授叶飞为论文共同通讯作者，南科大为论文第一通讯单位。

以上两项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、低维量子物理国家重点实验室、广东省自然科学基金、广东省创新创业研究团队计划以及深圳市科学技术创新委员会的支持。