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近日，北京理工大學物理學院的姚裕貴教授、肖文德研究員、李翔教授團隊與北京郵電大學劉文軍教授合作，在大帶隙二維拓撲絕緣體的直接觀測及其光飽和吸收體中取得重要進展。研究成果發表于國際頂級期刊《Nano Letters》。

二維拓撲絕緣體具有受時間反演對稱性保護的一維拓撲邊緣態。邊緣態中的電子的自旋和動量相互鎖定，不會被局域無序和非磁性雜質散射，產生無耗散的輸運邊緣通道，有望廣泛應用于低功耗自旋電子器件、拓撲量子計算等眾多領域。然而，但在對二維拓撲絕緣體的實驗探索中面臨諸多挑戰。例如，石墨烯的軌道自旋耦合過于微弱, 在倒空間 K點打開的能隙僅為ueV量級，遠小于室溫下的熱展寬(~26 meV)，導致其拓撲性質無法被觀測。此外，一些材料，如單元素烯(Xenes)，Bi系材料，過渡金屬硫族化合物(ZrTe₅, WTe₂)等，已被證實在液氦溫度或更低溫區表現出較大的帶隙、魯棒的拓撲邊緣態。但是目前液氦溫區下觀測魯棒性的拓撲邊緣態的工作還很少。這些都極大限制了對二維拓撲絕緣體的實際應用和物性探索。

北京理工大學姚裕貴教授、肖文德研究員團隊長期致力于探索大帶隙、高溫環境的二維拓撲絕緣體的研究。近年來，該團隊利用低溫掃描隧道顯微鏡，在第二類Weyl半金屬TaIrTe₄和α-Bi₄Br₄的單層臺階邊緣，觀測到與臺階邊緣結構無關的一維拓撲邊緣態[Xu Dong et al., ACS Nano 13, 9571-9577 (2019)]，[Xianglin Peng et al., J. Phys. Chem. Lett. 12, 10465-10471 (2021)]，證實單層TaIrTe₄和Bi₄Br₄為二維拓撲絕緣體。該團隊還利用中紅外吸收顯微光譜證明了Bi₄Br₄邊界吸收表現出強烈的偏振各向異性，這與拓撲邊界態的一維性質一致，并測量到邊界態的載流子壽命顯著增加，達到納秒量級。這種壽命比大多數拓撲材料都要長，這可以歸因于螺旋邊界態的線性色散性質[Junfeng Han et al., Science Bulletin 68, 417-423 (2023)]。

最近，研究團隊選擇電荷密度波材料Ta₂NiSe₇作為研究體系，通過液氮溫度下的掃描隧道顯微鏡實驗，觀測到單層Ta₂NiSe₇臺階邊緣處存在對復雜邊緣幾何構型保持魯棒性的一維拓撲邊緣態，表明Ta₂NiSe₇很有可能是一種大能隙二維拓撲絕緣體，有望應用于高溫量子自旋霍爾器件。團隊還利用脈沖激光實驗研究了Ta₂NiSe₇的非線性光學性能，發現Ta₂NiSe₇光飽和吸收體具有高達52.6%的調制深度和225 fs的短脈沖持續時間，超過了先前報道的基于各種拓撲絕緣體的性能。Ta₂NiSe₇光飽和吸收體具有68.2 dB的信噪比，且可在高達630 mW的極高功率下穩定、長期工作，體現了巨大的應用價值。

圖1. 在單層Ta₂NiSe₇的不規則邊緣采集的dI/dV譜和dI/dV maps

圖2. Ta₂NiSe₇的光飽和吸收體的性能

北京理工大學為該研究工作的第一完成單位。北京理工大學的肖文德研究員和李翔教授為本文的通訊作者。北京理工大學物理學院博士研究生肖佩瑤為論文第一作者，孫曉東為論文的共同第一作者。北京郵電大學碩士生陳悅芊進行了本論文的光飽和吸收的實驗，為論文的第二作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、以及北京理工大學物理學院先進光電量子結構設計與測量教育部重點實驗室、北京理工大學納米光子學與超精密光電系統北京市重點實驗室、北京郵電大學理學院信息光子學與光通信國家重點實驗室的支持。

Peiyao Xiao#, Xiaodong Sun#, Yueqian Chen，Wenjun Liu，Yilin Han，Zhi-Ming Yu，Xiang Li*, Wende Xiao*, Yugui Yao，“Robust Edge States of Quasi-1D Material Ta2NiSe7 and Applications in Saturable Absorbers” Nano Lett. Nano Lett. 24, 10402-10407 (2024)  (#為共同一作，*為通訊作者)

URL: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03623