南科大量子研究院在狄拉克半金属异质结构的量子输运研究中取得新进展

近日，南方科技大学“量子科学与工程”研究院博士后吴燕飞在狄拉克半金属异质结构的输运性质研究方面取得新进展，研究成果以“Dirac Semimetal Heterostructures: 3D Cd3As2on 2D Graphene”为题发表在学术期刊《Advanced Materials》。

石墨烯是一种二维狄拉克材料，通过表/界面工程构筑范德瓦尔斯异质结构可以有效地调制材料的性能。三维狄拉克半金属（3D Dirac Semimetal，如Cd3As2）作为一种新的拓扑材料，在三维动量空间中表现出线性能带色散关系，通过破坏时间反演对称性或空间反演对称性，可以转化为外尔（Weyl）半金属。外尔半金属的一个重要特征是手性反常效应（chiral anomaly effect）。在电场与磁场平行的情况下，手性相反的两外尔点附近的外尔费米子将具有不同的化学势，使电荷在不同手性的外尔点之间转移，这种手征电荷转移会产生负磁阻效应。除此之外，三维狄拉克或外尔半金属具有另一个重要特征-拓扑的费米弧表面态，并已被角分辨光电子能谱和外尔轨道相关的量子振荡实验所证实。自旋分辨的角分辨光电子能谱进一步显示费米弧由自旋极化的电子组成。费米弧表面态的这种自旋极化特性显示了三维拓扑半金属在自旋电子学领域的应用潜力。

该工作通过直接堆叠成功制备了石墨烯-Cd3As2异质结构。电子态耦合导致显著的层间电荷转移，通过Cd3As2的堆叠能有效调节石墨烯的费米能级，使其变为n型掺杂。这种石墨烯-Cd3As2异质结构能够自然地形成石墨烯平面p-n-p结，其量子输运测量显示在背压调制下分数值的量子化电导平台，这来源于量子霍尔态下边缘态输运在p-n结等界面的平衡。此外，与裸石墨烯器件相比，石墨烯-Cd3As2异质结构器件呈现出很大的非局域（non-local）信号，在调制后的狄拉克点附近显示出大的非局域电阻，表明了增强的自旋极化电荷输运，这与Cd3As2自旋极化表面态和石墨烯间的电荷转移有关。该研究结果不仅丰富了范德瓦尔斯异质结构家族，也将激发更多的关于狄拉克半金属或外尔半金属在自旋电子学中应用的研究。在该工作中，吴燕飞为第一作者、廖志敏为通讯作者、俞大鹏为最后作者。  

该研究得到了广东省引进创新创业团队“量子科学和工程团队”计划项目、深圳市科创委、国家自然科学基金委、国家重点研究与发展计划等的大力支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201707547 

吴燕飞于2017年3月入职于南方科技大学物理系和量子科学与工程研究院，在中科大博士期间从事材料的同步辐射谱学研究，因为对材料的应用研究感兴趣，在博士后期间转向纳米功能器件研究。在她看来，纳米功能器件研究是连接材料研究和应用研究的桥梁，也是很多物理基础研究的依托。在南科大入职后，她确定了《二维材料的自旋相关输运性质研究》的研究课题，指导教师为俞大鹏院士。“科研工作过程就是需要解决各种问题的过程”，在科研的路上吴燕飞始终以一颗平常的心态去攻坚克难。对于在研究工作中俞大鹏院士和廖志敏教授给予的支持，她甚是感激，也坚定了她在科研上走向去的信心。

据吴燕飞介绍，拓扑狄拉克半金属作为一种奇特的拓扑量子材料，由于良好的输运性能和自旋动量锁定、拓扑保护的表面量子态使其在未来自旋电子学器件和量子计算机中具有潜在的应用价值，比如自旋力矩磁随机存储器。这种新型的存储器是利用极化电流产生自旋相关的力矩，即电子的自旋对邻近的磁性原子产生力矩，这个力矩可以被用来‘扭转’磁性薄膜的磁化方向，从而实现‘0’和‘1’逻辑信息的“写入”。相比传统的基于对电子电荷操控的信息存储和处理技术，这种自旋力矩磁随机存储器不需要持续电流功耗来保持存储数据的有效性，在低能耗方面有巨大的优势。另外，这种自旋相关的力矩在磁记忆、运算、低能耗的微波振荡器和自旋逻辑器件等领域也展现很大的应用前景。

【图文导读】

图1：石墨烯/Cd3As2异质结构的表征。(a) Cd3As2纳米片的HRTEM和SAED图；(b)石墨烯/Cd3As2异质结构器件的示意图；(c) 石墨烯/Cd3As2异质结器件的SEM图；(d) 石墨烯/Cd3As2异质结构的纵向电阻率的温度依赖特性。

图2：零磁场下异质界面的电荷转移。(a) 纵向电阻Rxx的转移特性曲线，显示在温度1.4K和300K下Cd3As2调制后石墨烯的Dirac 峰位置在背压Vg= −33 V左右；(b) 局域电阻RL的转移特性曲线，显示两个Dirac峰；(c) 未被覆盖的石墨烯和Cd3As2覆盖的石墨烯的能带图；(d) 无背压调制的石墨烯/Cd3As2异质结构的能带示意图。

图3：石墨烯/Cd3As2异质结构的量子化电导。(a) 在不同强度的垂直磁场下，两端电导随背压的变化关系；(b)在-14 T高磁场下两端电导随背压的变化关系。随着背压变化，体系经历三种状态：p+-p –p+，p-n-p，n-n+-n，显示出量子化电导平台的变化。(c) 在三种状态下，量子霍尔边缘态在石墨烯的三个不同区域的传输示意图。

图4：在平面磁场下的局域和非局域电子输运。(a) 零磁场及不同温度下，非局域电阻RNL随背压的变化关系；(b) 不同强度的平面磁场下，局域电阻RL随背压的变化关系；(c) 温度1.4 K及不同强度的平面磁场下，RNL随背压的变化关系；(d) 在狄克拉点处的RNL随磁场依赖特性。