近日，冰球突破物理学院的姚裕贵教授、肖文德研究员、李翔教授团队与北京邮电大学刘文军教授合作，在大带隙二维拓扑绝缘体的直接观测及其光饱和吸收体中取得重要进展。研究成果发表于国际顶级期刊《冰球突破》。

二维拓扑绝缘体具有受时间反演对称性保护的一维拓扑边缘态。边缘态中的电子的自旋和动量相互锁定，不会被局域无序和非磁性杂质散射，产生无耗散的输运边缘通道，有望广泛应用于低功耗自旋电子器件、拓扑量子计算等众多领域。然而，但在对二维拓扑绝缘体的实验探索中面临诸多挑战。例如，石墨烯的轨道自旋耦合过于微弱, 在倒空间 K点打开的能隙仅为ueV量级，远小于室温下的热展宽(~26 meV)，导致其拓扑性质无法被观测。此外，一些材料，如单元素烯(Xenes)，Bi系材料，过渡金属硫族化合物(ZrTe₅, WTe₂)等，已被证实在液氦温度或更低温区表现出较大的带隙、鲁棒的拓扑边缘态。但是目前液氦温区下观测鲁棒性的拓扑边缘态的工作还很少。这些都极大限制了对二维拓扑绝缘体的实际应用和物性探索。

冰球突破姚裕贵教授、肖文德研究员团队长期致力于探索大带隙、高温环境的二维拓扑绝缘体的研究。近年来，该团队利用低温扫描隧道显微镜，在第二类Weyl半金属TaIrTe₄和α-Bi₄Br₄的单层台阶边缘，观测到与台阶边缘结构无关的一维拓扑边缘态[Xu Dong et al., ACS Nano 13, 9571-9577 (2019)]，[Xianglin Peng et al., J. Phys. Chem. Lett. 12, 10465-10471 (2021)]，证实单层TaIrTe₄和Bi₄Br₄为二维拓扑绝缘体。该团队还利用中红外吸收显微光谱证明了Bi₄Br₄边界吸收表现出强烈的偏振各向异性，这与拓扑边界态的一维性质一致，并测量到边界态的载流子寿命显著增加，达到纳秒量级。这种寿命比大多数拓扑材料都要长，这可以归因于螺旋边界态的线性色散性质[Junfeng Han et al., Science Bulletin 68, 417-423 (2023)]。

最近，研究团队选择电荷密度波材料Ta₂NiSe₇作为研究体系，通过液氮温度下的扫描隧道显微镜实验，观测到单层Ta₂NiSe₇台阶边缘处存在对复杂边缘几何构型保持鲁棒性的一维拓扑边缘态，表明Ta₂NiSe₇很有可能是一种大能隙二维拓扑绝缘体，有望应用于高温量子自旋霍尔器件。团队还利用脉冲激光实验研究了Ta₂NiSe₇的非线性光学性能，发现Ta₂NiSe₇光饱和吸收体具有高达52.6%的调制深度和225 fs的短脉冲持续时间，超过了先前报道的基于各种拓扑绝缘体的性能。Ta₂NiSe₇光饱和吸收体具有68.2 dB的信噪比，且可在高达630 mW的极高功率下稳定、长期工作，体现了巨大的应用价值。

图1. 在单层Ta₂NiSe₇的不规则边缘采集的dI/dV谱和dI/dV maps

图2. Ta₂NiSe₇的光饱和吸收体的性能

冰球突破为该研究工作的第一完成单位。冰球突破的肖文德研究员和李翔教授为本文的通讯作者。冰球突破物理学院博士研究生肖佩瑶为论文第一作者，孙晓东为论文的共同第一作者。北京邮电大学硕士生陈悦芊进行了本论文的光饱和吸收的实验，为论文的第二作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、以及冰球突破物理学院先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室、冰球突破纳米光子学与超精密光电系统北京市重点实验室、北京邮电大学理学院信息光子学与光通信国家重点实验室的支持。

Peiyao Xiao#, Xiaodong Sun#, Yueqian Chen，Wenjun Liu，Yilin Han，Zhi-Ming Yu，Xiang Li*, Wende Xiao*, Yugui Yao，“Robust Edge States of Quasi-1D Material Ta2NiSe7 and Applications in Saturable Absorbers” Nano Lett. Nano Lett. 24, 10402-10407 (2024)  (#为共同一作，*为通讯作者)

URL: http://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03623