Bi2Se3超薄膜中上下表面態間的屏蔽庫侖耦合方面獲進展

　　拓撲絕緣體由于具有受時間反演保護的拓撲表面態而展現出許多新奇特性，例如量子自旋霍爾效應、磁摻雜時的量子反常霍爾效應以及在拓撲/鐵磁異質結中的非局域磁阻尼貢獻等。這種拓撲表面態通常寄宿在樣品表面約幾個納米左右的深度中，因此具有較大表面占比的超薄膜是放大這些新奇特性的理想體系。然而，隨著厚度的減薄，薄膜上、下表面中的表面態會在空間上產生重合并相互耦合。以往理論工作計算了典型的狄拉克拓撲材料Bi2Se3超薄膜體系中上下表面態的雜化，并提出這種雜化會使表面態的狄拉克點打開一個能隙，且該能隙在某些厚度的體系中是拓撲非平庸，致使一維拓撲邊緣態的出現。盡管單粒子能帶理論可描述拓撲絕緣體的能帶結構，預言的能隙在實驗中被觀測到，但隨著薄膜厚度的降低，能隙理論計算值明顯小于實驗值。同時，在自旋分辨的角分辨光電子譜實驗、銦摻雜誘導的拓撲相變實驗以及微探針輸運實驗中，研究均未觀測到該能隙的拓撲性質，表明單粒子能帶理論無法描述Bi2Se3超薄膜體系的能帶結構及其輸運特性。

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學重點實驗室M04課題組研究員成昭華團隊與蘭州大學教授薛德勝合作，探究了Bi2Se3超薄膜體系中上下表面態的耦合。實驗上，科研人員通過超高真空分子束外延系統，制備出高質量且可精確控制厚度的Bi2Se3超薄膜，通過角分辨光電子譜（ARPES）測量了不同厚度Bi2Se3的表面態，并擬合出低厚度時能隙的大小以及Dirac點的位置。理論上，該研究引入了屏蔽庫侖形式的等效互作用以描述這種表面態間的耦合。科研人員在Hartree近似下計算了該耦合的自能發現，該耦合會使表面態能帶隨著厚度變化而產生整體的平移。同時，研究人員計算了自洽質量能隙方程，得出了質量能隙隨厚度的變化規律。研究顯示，隨著樣品厚度的降低，能帶的平移以及能隙大小的變化均與實驗結果較好吻合。此外，研究發現，在Bi2Se3超薄膜體系中，上下表面的庫侖耦合與石墨烯體系中K，K’點處兩個狄拉克錐間的庫侖耦合十分相似，打破的都是手征對稱性，不會產生拓撲非平庸的能隙。該工作解決了之前在Bi2Se3超薄膜體系中實驗與理論結論中的矛盾，加深了科學家對拓撲超薄膜體系中表面態行為的認知，為多層拓撲堆垛體系提供了新的描述方式。