2021年的第一篇《Nature》，华人学者开创量子物理新篇章

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

鲜辉 光电功能材料及光物理研究 中科院物构所

在强相关材料中，准粒子激发可携带分数量子数。其中一个有趣的可能性是形成分数化、电中性的费米子（例如旋子和费米激子），从而导致中性费米面和绝缘子中的朗道量化。尽管先前在量子自旋液体、拓扑近藤绝缘子和量子霍尔系统中进行的实验已经暗示了电中性费米表面的存在，但有关它们存在的实验证据至今仍无定论。

块体二碲化钨（WTe2）是一种存在相同数量电子和空穴的补偿半金属。当材料变薄至三层时，仍具有半金属行为。然而，在双层和单层中可观察到绝缘带隙，从而在单层中可引起高温量子自旋霍尔效应。然而，这种带隙被打开的具体机制仍然是个谜。当单层WTe2掺杂低电子密度时，观察到的超导现象突显了绝缘态的异常性质。

2021年1月4日，普林斯顿大学物理系Wu Sanfeng 助理教授团队在超低温度（500 mK）下、二维单层WTe2（大带隙拓扑绝缘体）中进行了朗道量化的实验观察。观察到的量子振荡（QOs）会演变成1.6特斯拉附近的离散峰，在该峰以上，朗道量化机制得到了充分发展，如此低的量化开启阈值可与高迁移率常规二维电子气的行为相媲美。作者认为实验探索寻找中性费米子的量子相、甚至超越费米表面态，将开创量子物质的新篇章。该研究成果以 “ Landau quantization and highly mobile fermions in an insulator ” 为题在线发表在Nature上。

如图1所示，作者采用了底部接触几何结构，该结构允许在单层WTe2剥落之前准备预先形成图案的电极，从而最大程度地减少了单层的降解。通过在钯电极和单层之间插入一层薄的六方氮化硼(hBN)绝缘层来避免边缘效应的贡献，从而实现仅对单层WTe2体电导的检测。在整个完整的器件中，单层WTe2被顶部和底部hBN层封装，后者也用作栅极电介质，该器件被用于后续单层WTe2绝缘态的研究。

图1. 器件构造示意图和单层WTe2绝缘态

利用上述器件构造实现了避免边缘效应贡献的检测方案，作者在单层WTe2的磁阻中发现了大的量子振荡，其起振阈值小至约0.5特斯拉。尽管有巨大的外界阻力，但振荡波仍然表现出多周期性，具有类似金属中的Shubnikov-de Haas振荡。

图2. 单层WTe2绝缘子中的量子振荡

图3. 单层WTe2绝缘子中的量化态和离散的朗道能级

作者通过实验确定了在QOs和完全量化态下的多种物理现象，这表明在单层绝缘子中可能存在高度活动的中性费米子和中性费米表面。目前，单层WTe2中这种中性费米子图像的理论尚未开发。在此作者提出了两种可能的方法：(1)由于可以通过低电子掺杂将绝缘态转换为超导态，因此应该探究失效超导体中的中性马约拉纳费米子。(2)类似于复合激子费米液体形成的机理很可能也适用于单层WTe2。研究还发现，降维、面内各向异性以及单层晶格可能为强相关和自旋电荷分离奠定基础。

图4. 量子振荡的门依赖性作者认为，还需要通过理论和实验进一步研究WTe2单层的异常绝缘基态，包括器件组件以及在绝缘带隙内可能存在的移动费米子和电中性费米面的影响。在这种材料的电荷绝缘带隙内寻找分数化的中性费米面，在量化范围内的进一步探索有望在理解绝缘子的确切性质方面取得进展。单层WTe2为深入研究可能的分层绝缘相和超导之间的联系以及非平凡的拓扑结构提供了一个出色的平台。

文献信息：“Landau quantization and highly mobile fermions in an insulator” (Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03084-9).

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)