英文原題：Tuning multiple Landau Quantization in Transition-Metal Dichalcogenide with Strain

作者：Zihao Huang(黃子豪), Guoyu Xian(冼國裕), Xiangbo Xiao(肖湘波) Xianghe Han(韓相和)Guojian Qian(錢國健), Chengmin Shen(申承民), Haitao Yang(楊海濤), Hui Chen(陳輝), Banggui Liu(劉邦貴), Ziqiang Wang(汪自強(qiáng)), Hong-Jun Gao(高鴻鈞)

調(diào)控多種電子自由度，例如自旋、谷、軌道、贗自旋等自由度，是功能性電子學(xué)器件的物理基礎(chǔ)。拓?fù)浔砻鎽B(tài)是一種自旋動(dòng)量鎖定的二維電子態(tài)，擁有拓?fù)浔砻鎽B(tài)的量子材料是一種理想的調(diào)控電子自由度體系，而朗道量子化是研究這種拓?fù)浔Ｗo(hù)量子態(tài)多自由度的非常有效手段。近年來， NiTe₂、WSe₂等過渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDs）材料體系被發(fā)現(xiàn)是一種雙拓?fù)洳牧?，即在能帶結(jié)構(gòu)中既具有第二類狄拉克錐，又擁有拓?fù)浔砻鎽B(tài)。因此，該類材料為研究與調(diào)控受拓?fù)浔Ｗo(hù)量子態(tài)的多種自由度提供了一個(gè)理想的材料平臺。然而基于TMDs拓?fù)淞孔討B(tài)多自由度的調(diào)控尚未實(shí)現(xiàn)。

近日，中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞院士團(tuán)隊(duì)的陳輝副研究員、楊海濤研究員同凝聚態(tài)理論與材料計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉邦貴研究員等人研究了TMD拓?fù)浒虢饘俨牧螻iTe₂在應(yīng)力調(diào)控下的多重朗道量子化現(xiàn)象。冼國裕和楊海濤等合成了高質(zhì)量的NiTe₂樣品。黃子豪和陳輝等利用極低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡，強(qiáng)磁場下在無表面應(yīng)力的NiTe₂上觀測到單套朗道能級。經(jīng)過仔細(xì)分析確認(rèn)這些朗道能級來源于費(fèi)米面附近谷簡并的拓?fù)浔砻鎽B(tài)在磁場下的朗道量子化（圖1）。有趣的是，在單軸應(yīng)力以及剪切應(yīng)力存在的表面區(qū)域，觀測到了兩套以及三套朗道能級。多套朗道能級在應(yīng)力表面區(qū)域穩(wěn)定存在，預(yù)示著拓?fù)浔砻鎽B(tài)的朗道量子化受表面應(yīng)力的調(diào)控。

為了進(jìn)一步研究了應(yīng)力調(diào)控拓?fù)浔砻鎽B(tài)谷自由度的機(jī)制，肖湘波和劉邦貴等開展了第一性原理計(jì)算的研究。他們發(fā)現(xiàn)：NiTe₂單晶中應(yīng)力破壞了晶格對稱性，導(dǎo)致拓?fù)浔砻鎽B(tài)的谷簡并被打破。拓?fù)浔砻鎽B(tài)的谷分支朗道量子化產(chǎn)生的朗道能級不再簡并，從而衍生出多套朗道能級（圖2）。單軸應(yīng)力部分打破NiTe₂單晶的三重旋轉(zhuǎn)對稱性，拓?fù)浔砻鎽B(tài)谷簡并隨即被部分打破，產(chǎn)生兩套朗道能級。剪切應(yīng)力則完全打破三重對稱性，導(dǎo)致拓?fù)浔砻鎽B(tài)谷簡并被完全打破，產(chǎn)生三套朗道能級。

首次在實(shí)驗(yàn)上觀測到TMDs材料NiTe₂中的受應(yīng)力調(diào)控的谷極化拓?fù)浔砻鎽B(tài)及其多套朗道量子化。該發(fā)現(xiàn)將有望在谷電子學(xué)、旋度極化器件和約瑟夫森二極管效應(yīng)器件領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。這種應(yīng)力調(diào)控多自由度的方式可以拓展到其他擁有類似的豐富拓?fù)湮镄缘腡MDs材料。例如在PdTe₂等TMD超導(dǎo)材料中實(shí)現(xiàn)拓?fù)浔砻鎽B(tài)的調(diào)控，有望實(shí)現(xiàn)新奇的磁通渦旋態(tài)。

相關(guān)論文發(fā)表在Nano Letters上，中科院物理所的博士研究生黃子豪、冼國裕和博士后肖湘波博士為文章的共同第一作者，陳輝、楊海濤和劉邦貴為通訊作者。