中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
T03组供稿
第17期
2011年06月15日
新型二元拓扑绝缘体材料Ag2Te及其磁阻效应研究
拓扑绝缘体是一种由自旋轨道耦合导致的新的量子物态：它的体内是绝缘性的，而边界由于具有无能隙的边界态是金属性的，该金属边界态受到拓扑性质的保护。拓扑绝缘体的重要性在于它的边界态的自旋与动量是紧密联系的，一定的自旋取向就一定对应着特定的动量方向，不会杂乱无章，因而可以极大地减小电子散射，减小能耗。随着拓扑绝缘体研究的深入，最近人们又提出了几种候选材料，例如TlBiX2 (X=Te，Se)化合物，三元Heusler合金和黄铜矿，这些都涉及三种或更多种元素，而且可能还需要额外的形变来打开体系的能隙，这使得材料合成与物性研究都变得困难。另外，到目前为止，所有已知拓扑绝缘体表面的Dirac锥几乎都是各向同性的，费米速度也几乎是一个常数。因此，很有必要寻找到一种具有各向异性表面Dirac锥的拓扑绝缘体材料，它有助于人们进一步理解拓扑绝缘体的奇异性质。最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室方忠、戴希、翁红明、姚裕贵等研究员所在的T03组在该研究方向上取得重要进展(Phys. Rev. Lett. 106, 156808(2011))，从理论上预言Ag2Te是新型二元拓扑绝缘体材料，并对其磁阻效应进行了研究。
Ag2Te是银硫族化合物之一，被称为碲银矿。高温下高对称性的α相在温度降低到417 K时会发生相变，从而过渡到低对称性的窄能隙半导体β相。有趣的是，在非磁的β相中人们观察到不同寻常的巨大且非饱和线性磁阻（实验测量磁场变化范围10~55000 Oe，温度4.5～300 K)。在一般有封闭费米面的金属中，当外加磁场较弱时（低场），磁阻正比于磁场强度H的二次方；当外加磁场非常强时（高场），磁阻对磁场强度H的响应会趋于饱和。β-Ag2Te中的线性且不饱和的磁阻行为与以上的传统金属理论完全不同，这导致Abrikosov提出的量子磁阻理论：在只有能量最低的Landau能级被占据，且最低Landau能级的间隙比观测温度大时，会出现线性磁阻效应。满足此量子极限条件时，磁阻随磁场强度H线性变化。但一般金属中的二次型能带色散关系导致的最低Landau能级之间的能隙太小，不能解释β-Ag2Te中线性磁阻效应的磁场与温度的对应关系，而从无能隙的线性能谱出发可以给出合理的解释。因而，他提出掺杂可能会导致无能隙线性能谱的产生，并认为样品中载流子浓度是非均匀分布的。只有这样，样品中才会有部分区域具有极低的载流子浓度以满足量子极限条件。然而遗憾的是所有的以上可能解释都是基于一种假设，也就是材料中要有线性色散，且载流子浓度足够低。
方忠课题组通过研究发现，β-Ag2Te中的线性能谱并非源于掺杂，而是因为具有形变反萤石结构的β-Ag2Te是一种新的二元拓扑绝缘体，它具有无能隙Dirac型表面态。基于这种拓扑性质，该研究组对无能隙线性能谱的产生提出了新的观点——所观察到的异常磁阻主要源于表面或者界面的贡献。由于实验中颗粒材料样品的表面或界面处受拓扑保护的表面态的存在，其低能激发具有线性色散性质，这种表面态比较容易满足量子极限条件，对载流子浓度的要求没有像体材料那样要求苛刻。另外，与已知Bi2Te3和Bi2Se3拓扑绝缘体相比，它具有截然不同的高度各向异性的Dirac锥。此时通过旋转晶轴，费米速度可变化一个数量级。并且β-Ag2Te表面态的自旋方向具有平面外分量，从而为操纵电子的自旋提供了更大的自由度。本工作发表在Phys. Rev. Lett. 106, 156808 (2011)，得到了中国科学院、国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究发展计划、重大科学研究计划和国际科技合作计划的支持。
相关文献： Wei Zhang, Rui Yu, Wanxiang Feng, Yugui Yao, Hongming Weng, Xi Dai, Zhong Fang, "Topological Aspect and Quantum Magnetoresistance of β-Ag2Te". Phys. Rev. Lett. 106, 156808, (2011).
文章链接：
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i15/e156808
Ag2Te是银硫族化合物之一，被称为碲银矿。高温下高对称性的α相在温度降低到417 K时会发生相变，从而过渡到低对称性的窄能隙半导体β相。有趣的是，在非磁的β相中人们观察到不同寻常的巨大且非饱和线性磁阻（实验测量磁场变化范围10~55000 Oe，温度4.5～300 K)。在一般有封闭费米面的金属中，当外加磁场较弱时（低场），磁阻正比于磁场强度H的二次方；当外加磁场非常强时（高场），磁阻对磁场强度H的响应会趋于饱和。β-Ag2Te中的线性且不饱和的磁阻行为与以上的传统金属理论完全不同，这导致Abrikosov提出的量子磁阻理论：在只有能量最低的Landau能级被占据，且最低Landau能级的间隙比观测温度大时，会出现线性磁阻效应。满足此量子极限条件时，磁阻随磁场强度H线性变化。但一般金属中的二次型能带色散关系导致的最低Landau能级之间的能隙太小，不能解释β-Ag2Te中线性磁阻效应的磁场与温度的对应关系，而从无能隙的线性能谱出发可以给出合理的解释。因而，他提出掺杂可能会导致无能隙线性能谱的产生，并认为样品中载流子浓度是非均匀分布的。只有这样，样品中才会有部分区域具有极低的载流子浓度以满足量子极限条件。然而遗憾的是所有的以上可能解释都是基于一种假设，也就是材料中要有线性色散，且载流子浓度足够低。
方忠课题组通过研究发现，β-Ag2Te中的线性能谱并非源于掺杂，而是因为具有形变反萤石结构的β-Ag2Te是一种新的二元拓扑绝缘体，它具有无能隙Dirac型表面态。基于这种拓扑性质，该研究组对无能隙线性能谱的产生提出了新的观点——所观察到的异常磁阻主要源于表面或者界面的贡献。由于实验中颗粒材料样品的表面或界面处受拓扑保护的表面态的存在，其低能激发具有线性色散性质，这种表面态比较容易满足量子极限条件，对载流子浓度的要求没有像体材料那样要求苛刻。另外，与已知Bi2Te3和Bi2Se3拓扑绝缘体相比，它具有截然不同的高度各向异性的Dirac锥。此时通过旋转晶轴，费米速度可变化一个数量级。并且β-Ag2Te表面态的自旋方向具有平面外分量，从而为操纵电子的自旋提供了更大的自由度。本工作发表在Phys. Rev. Lett. 106, 156808 (2011)，得到了中国科学院、国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究发展计划、重大科学研究计划和国际科技合作计划的支持。
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| 图1 (a) β-Ag2Te包含SOC相互作用的体能带结构。费米能级(虚线)附近打开了能隙，大约是80 meV；(b) β-Ag2Te垂直于C轴平面的表面态：厚45个原子层的平板的能带结构和Dirac锥。 |
相关文献： Wei Zhang, Rui Yu, Wanxiang Feng, Yugui Yao, Hongming Weng, Xi Dai, Zhong Fang, "Topological Aspect and Quantum Magnetoresistance of β-Ag2Te". Phys. Rev. Lett. 106, 156808, (2011).
文章链接：
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i15/e156808