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原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

拓扑和相关性的融合代表了追求新的物质量子态领域。将电子关联引入量子自旋霍尔（QSH）绝缘体可以导致分数拓扑绝缘体和其他奇特的时间反转对称拓扑顺序的出现，这在量子霍尔和Chern绝缘体系统中是不可能的。

有鉴于此，美国马萨诸塞州彻斯纳特山波士顿学院Ma Qiong，南洋理工大学Chang Guoqing等人报告了TaIrTe₄固有单层晶体内的一种新的双QSH绝缘体，这是由其单粒子拓扑和密度调节电子相关性的相互作用产生的。在电荷中性时，单层TaIrTe₄表现出QSH绝缘体，显示出增强的非局域传输和量子化螺旋边缘电导。从电荷中性引入电子后，TaIrTe₄仅在小范围的电荷密度下表现出金属行为，但很快进入新的绝缘状态，这在TaIrTe₄的单粒子能带结构的基础上完全出乎意料。这种绝缘状态可能是由范霍夫奇点附近强烈的电子不稳定性引起的，可能会导致电荷密度波（CDW）。值得注意的是，在这个相关的绝缘间隙内，观察到QSH状态的复苏。对CDW间隙中螺旋边缘传导的观察可以桥接自旋物理和电荷顺序。双QSH绝缘体的发现引入了一种通过CDW超晶格创建拓扑平坦微带的新方法，这为探索时间反演对称分数相和电磁学提供了一个有前途的平台。

晶格和电子结构及非常规运输特性

作者报告了一种新的电子现象，该现象是由范德华单层晶体TaIrTe₄中的QSH拓扑和VHS引起的相关性相互作用产生的，即双QSH绝缘体。块状TaIrTe₄是一种层状Weyl半金属，通过系统地优化制造条件成功地获得了单层TaIrTe₄的固有电子特性。在结构上，单层TaIrTe₄具有沿晶体a轴的一维Ta和Ir链。在单个晶胞内，有两条不等价的Ta（和Ir）链，通过绕a轴旋转180°相关。理论预测表明单层TaIrTe₄是具有相当大带隙的QSH绝缘体。作者制造了高质量的双栅极单层TaIrTe₄器件，在十多种设备上观察到高度一致的行为，迁移率范围约为10至 400 cm² V⁻¹ s⁻¹。

图1 单层TaIrTe₄的电子能带结构、晶格结构和基本电学表征

电荷中性时的QSH状态

作者首先研究与CNP电阻峰值相关的物理原理，发现CNP电导随温度降低而降低，并在30 K以下扩展至平台，表明存在带隙。为了估计带隙的大小，将热激活拟合应用于CNP处与温度相关的电导，产生了20到30meV之间的激活间隙。非局域传输测量结果表明有限电导平台源自边缘态传导。进一步研究了边缘状态的性质，使用两种器件设计来研究边缘传导与沟道长度L_ch的关系，发现电阻随着L_ch减小而减小。

图2 单层TaIrTe₄中CNP处的QSH边缘传导

有限掺杂时的绝缘状态

为了进一步探讨电子掺杂区域中的电阻峰值的起源，作者展示了更广泛的载流子密度范围内的温度依赖性电导。在n=0时，温度依赖性表现出绝缘行为，当将载流子密度增加到n = 3.2×10¹² cm⁻²时，温度依赖性变为金属性，进一步将其增加到n=6.5×10¹² cm⁻²再次导致绝缘行为，表明当电子掺杂到一定水平后，由于VHS附近的相关性增强，出现了相关间隙。

图3 有限掺杂下的紧急绝缘状态

双QSH绝缘子

作者探讨了新兴绝缘态的拓扑性质，初步发现表明，V_NL和V_L之间的比率在CNP单粒子间隙和第二绝缘间隙内都很大，表明第二间隙内也存在边缘传导。通过测量短沟道器件的电导，研究了第二绝缘间隙附近固定短沟道长度的温度依赖性电导，确定了第二绝缘间隙也表现出具有量子化螺旋边缘传导的QSH状态。作者提供了有力的证据表明单层TaIrTe₄是一种新型双QSH绝缘体，它由两个QSH状态组成，两者都具有标志性的螺旋量子化边缘传导。

图4 单层TaIrTe₄中的双重QSH效应

双QSH状态理论

最后，作者提供了该系统的理论分析。首先，第一原理计算表明，低能电子态主要源自Ta 5d轨道；其次，计算揭示了导带（和价带）内的鞍点VHS；第三，尝试了解紧急绝缘状态，发现Q*超晶格势的引入导致绝缘间隙的打开，为实验数据提供了合理的解释；第四，继续讨论了CDW 场景，并从理论上评估CDW间隙的拓扑，发现CDW间隙确实具有非平凡的QSH状态，CDW的性质与CDW的周期性密切相关。

图5 单层TaIrTe₄中双QSH态的理论研究

参考文献：

Tang, J., Ding, T.S., Chen, H. et al. Dual quantum spin Hall insulator by density-tuned correlations in TaIrTe4. Nature (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07211-8