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研究背景

隨著對(duì)量子材料的深入研究，科學(xué)家們逐漸意識(shí)到其中的對(duì)稱性破缺可以引發(fā)各種各樣的傳輸現(xiàn)象，特別是非互易電荷傳輸。在這一領(lǐng)域，拓?fù)浣^緣體這類特殊的量子材料引起了廣泛關(guān)注。拓?fù)浣^緣體具有表面態(tài)，其中的量子霍爾態(tài)在外加磁場(chǎng)下表現(xiàn)出特殊的電子傳輸行為。這些現(xiàn)象的研究不僅有助于深入理解拓?fù)洳牧媳旧淼男再|(zhì)，還為未來電子器件的發(fā)展提供了新的思路。

在研究中，一個(gè)重要的概念是非互易性。在量子材料中，非互易電荷傳輸表現(xiàn)為電阻隨電流方向變化的現(xiàn)象，這在電子器件中的電流整流中具有重要意義。然而，目前對(duì)非互易傳輸?shù)睦斫膺€存在一些問題。尤其是在拓?fù)浣^緣體這樣的材料中，雖然已經(jīng)觀測(cè)到了一些非互易傳輸現(xiàn)象，但其機(jī)制和效應(yīng)的深入研究仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

成果簡(jiǎn)介

為了解決這些問題，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國家實(shí)驗(yàn)室Shuai Zhang教授、宋鳳麒教授課題組、南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王學(xué)鋒教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研究了內(nèi)稟拓?fù)浣^緣體材料，如Sn-Bi_1.1Sb_0.9Te₂S（Sn-BSTS），并通過實(shí)驗(yàn)和理論模擬探索其中量子霍爾態(tài)介導(dǎo)的非互易傳輸現(xiàn)象。他們的研究旨在揭示這些材料中非互易傳輸?shù)奶匦院蜋C(jī)制，以及如何利用這些特性來設(shè)計(jì)新型電子器件。以上成果在Nature Materials上發(fā)題為“Observation of giant non-reciprocal charge transport from quantum Hall states in a topological insulator”的最新文章。通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)了Sn-BSTS器件中非常巨大的非互易系數(shù)，并揭示了其背后的物理機(jī)制。他們的工作不僅加深了作者對(duì)量子材料中非互易傳輸?shù)睦斫?，還為利用這些傳輸特性開發(fā)新型電子器件提供了重要線索。

圖文導(dǎo)讀

為了探索和量化非磁性內(nèi)稟拓?fù)浣^緣體Sn-Bi1.1Sb0.9Te2S（簡(jiǎn)稱Sn-BSTS）中由量子霍爾（QH）態(tài)介導(dǎo)的非互易電荷傳輸現(xiàn)象，研究者進(jìn)行了一系列詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和理論分析。在圖1中，研究者詳細(xì)展示了Sn-BSTS器件的制備和基本結(jié)構(gòu)。圖1a為器件的三維示意圖，圖中清晰地標(biāo)出了拓?fù)浣^緣體材料、電極配置及其連接方式。圖1b則是通過掃描電子顯微鏡（SEM）獲得的器件微觀圖像，顯示了優(yōu)良的材料質(zhì)量和精確的微納加工技術(shù)。通過這些圖像，讀者可以直觀地理解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)和電學(xué)連接。

圖1. Sn-BSTS器件中QH介導(dǎo)的非互惠電荷傳輸。

圖2主要報(bào)道了Sn-BSTS器件在不同條件下的電學(xué)特性。圖2a中展示了器件在室溫和低溫條件下的電阻隨磁場(chǎng)變化的行為，揭示了典型的量子霍爾效應(yīng)的特征，如量子化的平臺(tái)和霍爾電阻的突變。圖2b則給出了在特定磁場(chǎng)強(qiáng)度下，電阻隨柵壓的變化，可以看出隨著柵壓的增加，系統(tǒng)逐漸從絕緣態(tài)過渡到金屬態(tài)，再過渡回絕緣態(tài)，這與頂部和底部表面態(tài)的填充有關(guān)。

圖2. Sn-BSTS器件中柵依賴的非互惠電荷傳輸。

圖3專注于非互易電荷傳輸現(xiàn)象。圖3a和3b分別展示了在不同柵壓下，器件的非互易電阻隨磁場(chǎng)方向改變的響應(yīng)。具體來說，圖3a顯示在正向磁場(chǎng)下，非互易電阻呈現(xiàn)出明顯的峰值，而在磁場(chǎng)反向時(shí)，這些峰值消失，表明非互易行為與磁場(chǎng)方向密切相關(guān)。圖3b中的數(shù)據(jù)更進(jìn)一步地證明了這種非互易行為可以通過改變柵壓來調(diào)控，實(shí)現(xiàn)不同程度的非互易傳輸特性。

圖3. Sn-BSTS器件中磁場(chǎng)依賴的非互惠電阻。

在圖4中，研究者提供了非互易傳輸現(xiàn)象的理論模擬結(jié)果。圖4a和4b展示了基于簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果，其中考慮了QH邊緣態(tài)和狄拉克表面態(tài)之間的不對(duì)稱散射過程。通過這些模擬，研究者不僅解釋了實(shí)驗(yàn)觀察到的非互易行為，還預(yù)測(cè)了在特定條件下非互易傳輸?shù)淖畲蠡?/span>

圖4. Sn-BSTS器件中的溫度依賴非互惠電荷傳輸。

最后，在圖5中，研究者探討了非互易傳輸對(duì)未來電子器件的潛在應(yīng)用。圖5a展示了一個(gè)可能的器件應(yīng)用示例，即非互易電子開關(guān)，該開關(guān)在不同的電流方向下表現(xiàn)出不同的導(dǎo)電狀態(tài)。圖5b則是對(duì)非互易傳輸特性進(jìn)行的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試，驗(yàn)證了這種現(xiàn)象在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。

圖5: 非互惠電阻的起源。

結(jié)論與展望

本研究揭示了拓?fù)浣^緣體中量子霍爾態(tài)的非互易傳輸機(jī)制，并展示了其巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。首先，作者發(fā)現(xiàn)了量子霍爾態(tài)介導(dǎo)的非互易傳輸效應(yīng)，其非互易電阻系數(shù)遠(yuǎn)大于以往研究中的數(shù)值，這為設(shè)計(jì)更高性能的電子器件提供了新的思路。

其次，作者的研究深化了對(duì)非互易傳輸?shù)睦斫?，特別是在量子霍爾態(tài)和表面態(tài)相互作用下的情況。通過揭示不對(duì)稱散射導(dǎo)致的非互易傳輸機(jī)制，作者為探索和利用拓?fù)浣^緣體中的新型電子態(tài)提供了重要線索。此外，作者的工作還為進(jìn)一步研究量子霍爾效應(yīng)在部分填充情況下的新現(xiàn)象提供了動(dòng)力學(xué)，這有助于深入理解量子材料的性質(zhì)和行為。

文獻(xiàn)信息

Li, C., Wang, R., Zhang, S. et al. Observation of giant non-reciprocal charge transport from quantum Hall states in a topological insulator. Nat. Mater. (2024).?

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/04/24/2ba3927b2f/

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