【DFT+实验】Nano Lett. | 应力调控过渡金属硫属化合物的拓扑表面态及其朗道量子化

英文原题：Tuning multiple Landau Quantization in Transition-Metal Dichalcogenide with Strain

作者：Zihao Huang(黄子豪), Guoyu Xian(冼国裕), Xiangbo Xiao(肖湘波) Xianghe Han(韩相和)Guojian Qian(钱国健), Chengmin Shen(申承民), Haitao Yang(杨海涛), Hui Chen(陈辉), Banggui Liu(刘邦贵), Ziqiang Wang(汪自强), Hong-Jun Gao(高鸿钧)

调控多种电子自由度，例如自旋、谷、轨道、赝自旋等自由度，是功能性电子学器件的物理基础。拓扑表面态是一种自旋动量锁定的二维电子态，拥有拓扑表面态的量子材料是一种理想的调控电子自由度体系，而朗道量子化是研究这种拓扑保护量子态多自由度的非常有效手段。近年来， NiTe₂、WSe₂等过渡金属硫属化合物（TMDs）材料体系被发现是一种双拓扑材料，即在能带结构中既具有第二类狄拉克锥，又拥有拓扑表面态。因此，该类材料为研究与调控受拓扑保护量子态的多种自由度提供了一个理想的材料平台。然而基于TMDs拓扑量子态多自由度的调控尚未实现。

近日，中国科学院物理研究所高鸿钧院士团队的陈辉副研究员、杨海涛研究员同凝聚态理论与材料计算重点实验室的刘邦贵研究员等人研究了TMD拓扑半金属材料NiTe₂在应力调控下的多重朗道量子化现象。冼国裕和杨海涛等合成了高质量的NiTe₂样品。黄子豪和陈辉等利用极低温强磁场扫描隧道显微镜，强磁场下在无表面应力的NiTe₂上观测到单套朗道能级。经过仔细分析确认这些朗道能级来源于费米面附近谷简并的拓扑表面态在磁场下的朗道量子化（图1）。有趣的是，在单轴应力以及剪切应力存在的表面区域，观测到了两套以及三套朗道能级。多套朗道能级在应力表面区域稳定存在，预示着拓扑表面态的朗道量子化受表面应力的调控。

为了进一步研究了应力调控拓扑表面态谷自由度的机制，肖湘波和刘邦贵等开展了第一性原理计算的研究。他们发现：NiTe₂单晶中应力破坏了晶格对称性，导致拓扑表面态的谷简并被打破。拓扑表面态的谷分支朗道量子化产生的朗道能级不再简并，从而衍生出多套朗道能级（图2）。单轴应力部分打破NiTe₂单晶的三重旋转对称性，拓扑表面态谷简并随即被部分打破，产生两套朗道能级。剪切应力则完全打破三重对称性，导致拓扑表面态谷简并被完全打破，产生三套朗道能级。

首次在实验上观测到TMDs材料NiTe₂中的受应力调控的谷极化拓扑表面态及其多套朗道量子化。该发现将有望在谷电子学、旋度极化器件和约瑟夫森二极管效应器件领域发挥重要作用。这种应力调控多自由度的方式可以拓展到其他拥有类似的丰富拓扑物性的TMDs材料。例如在PdTe₂等TMD超导材料中实现拓扑表面态的调控，有望实现新奇的磁通涡旋态。

相关论文发表在Nano Letters上，中科院物理所的博士研究生黄子豪、冼国裕和博士后肖湘波博士为文章的共同第一作者，陈辉、杨海涛和刘邦贵为通讯作者。