极化材料与器件教育部重点实验室蒋烨平课题组对三维拓扑绝缘体表面态的束缚态进行深入研究，观察到其中的Berry相开关行为。该工作以“Berry-phase switch in electrostatically-confined topological surface states”为题发表在2022年3月25日的Physical Review Letters上，并被选为本期封面文章。华东师范大学为论文的第一完成单位，紫江青年研究员仉君和蒋烨平分别为该文章的第一作者和通讯作者，合作者还包括清华大学马旭村研究员和南方科技大学/清华大学薛其坤教授。
在凝聚态物理中，Berry相反映的是动量空间中布洛赫能带的几何学性质，通过电子态在动量空间的回路来体现。拓扑绝缘体表面态是一种二维狄拉克电子体系，具有非平庸的Berry相π。这使得其束缚态具有Berry相开关行为，即狄拉克电子束缚态在动量空间中的轨道相对狄拉克点的绕数在某临界磁场下会发生跳变：从0跳为1（图1）。由于狄拉克点是Berry曲率的奇点，绕数的跳变导致Berry相位π的跳变，从而改变了能量量子化条件，引起了该束缚态能量的跳变。在垂直向上（下）的某临界磁场下，原本时间反演对称的±|m|束缚态中的+|m|（-|m|）态的能量会发生跳变，能量降低能级间隔的二分之一。
图1 (a, b, c) 分别为（1, ±1/2）在0 T和1T磁场下的半经典轨道、形成的二维闭合环面的动量场以及轨道在动量空间沿两个可分离的自由度方向上的绕数。
由于狄拉克电子的Klein隧穿特性，拓扑表面态的电学束缚很难实现。理论上，只能通过构筑特别的电学势阱比如说圆形p-n或n-p结来实现拓扑表面态的电学准束缚。而为了在拓扑绝缘体表面态上构筑拓扑表面态的p-n或n-p结，获得近乎绝缘的体电子态以及引入合适的带电点缺陷以形成局域的n-p型反转是本课题最有挑战性的方面。
课题组负责人蒋烨平研究员长期从事拓扑绝缘体外延薄膜材料的制备和新奇物性的研究，凭借多年积累的经验[Chin. Phys. Lett. (Express Letter) 38, 057307 (2021), Sci. Adv. 5:eaaw3988 (2019), Phys. Rev. B 92, 195418 (2015), Phys. Rev. Lett. 108, 066809 (2012), Phys. Rev. Lett. 108, 016401 (2012)]，从实验上构筑了Sb2Te3拓扑绝缘体上表面态的圆形n-p结，利用低温强磁场扫描隧道显微镜深入研究了该狄拉克电子束缚态，观测到了其中的Berry相开关行为，并进一步结合数值模拟和半经典图像模拟阐明了其中的物理机制（图2）。
图2 在7 QL Sb2Te3中实现的n-p结及其中的Berry相开关行为。(a)7 QL Sb2Te3薄膜的STM形貌图（上）及其中的一个n-p结的形貌图（下左）和STS谱图（能量为-4.7 meV）。(b)形成的n-p结的示意图。(c)沿图a中箭头做的扫描隧道谱（0 T和1 T）。(d)束缚态空间分布的数值模拟。(e-f)在n-p结中心（图a中点1）隧道谱随磁场变化的实验数据及数值模拟。
不同于传统半导体材料，Berry相开关表现为在弱临界磁场下束缚态能级的跳变，不同量子数的能级其临界磁场不同，因此Berry相开关具有量子数选择性。特定量子数的能级跳变会在椭圆偏振光测量（螺旋度敏感）中体现出来。这种以弱磁场驱动的Berry相开关机制有望用于电子或太赫兹光电器件。该研究为拓扑物质态中新奇量子效应的探索以及新器件（替代传统半导体器件）的开发提供了新的思路。
该研究得到了国家自然科学基金委重大研究计划培育项目、青年基金项目、面上项目、基础科学中心项目的资助以及极化材料与器件教育部重点实验室的大力支持。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.126402
供稿：蒋烨平
