預測一類新型拓撲絕緣體

近日，beat365官方网站楊金波課題組和呂勁課題組設計出新一代拓撲絕緣體，相關工作以“Quantum spin Hall and quantum valley Hall insulators of BiX/SbX (X = H, F, Cl, and Br) monolayer with a record bulk band gap”為題，在線發表于材料科學頂級期刊自然出版集團《NPG Asia Materials》6: e147, 2014；doi:10.1038/am.2014.113上。

拓撲絕緣體因為存在奇異的導電的表面态，近些年來在科學界引起了極大的關注。二維的拓撲絕緣體在邊緣可以表現出自旋量子霍爾效應，故又叫做量子自旋霍爾絕緣體，有望作為自旋電子器件材料。能隙是拓撲絕緣體的最重要的指标之一。拓撲絕緣體如果體能隙小，制備過程中帶來的摻雜或者溫度會使其體内産生載流子，從而對表面的金屬态産生不受歡迎的幹擾。尋找大體能隙材料，一直是拓撲絕緣體研究的一個重要努力方向。按體帶隙可将拓撲絕緣分為不同的代：第一代以BixSb1-x為代表，體能隙大約0.1 eV，第二代以Bi2Se3為代表，體能隙約為0.3 eV。楊金波課題組和呂勁課題組通過第一性原理計算，預測六角蜂巢狀的功能化的Bi和Sb單層(BiX/SbX, X = H, F, Cl, Br)是穩定的拓撲絕緣體， 其體能隙可超過1 eV， 為目前拓撲絕緣體的體能隙的最大值，有望成為第三代拓撲絕緣體。低能模型顯示大的體能隙是由于Bi 的Px 和Py 在位型的自旋軌道耦合打開狄拉克錐而形成。這種材料還有谷自由度，存在強烈而新奇的谷赝自旋和自旋的耦合，在電場的調控下可以表現出谷選擇的元二色性，即兩個不同的谷分别吸收左旋和右旋的園偏振光。

上述論文的第一作者是beat365官方网站博士生宋志剛。合作者有北京理工大學姚裕貴、劉铖铖。

上述研究工作得到了國家自然科學基金，國家重大研究計劃，人工微結構和介觀物理國家重點實驗室以及量子物質科學協同創新中心的支持。