一個由加州大學河濱分校和華盛頓大學科學家組成的研究小組首次直接拍攝了單層鎢二碲化鎢(WTe2)的“邊緣傳導”圖像。鎢二碲化鎢(WTe2)是一種新發(fā)現(xiàn)的二維拓撲絕緣體和量子材料。這項研究使得利用這種邊緣傳導特性來制造更節(jié)能的電子設(shè)備成為可能。在典型的導體中，電流到處流動。另一方面，絕緣體不容易導電。

拓撲絕緣子是一種特殊的材料，其內(nèi)部作為絕緣子工作，但由于其拓撲性質(zhì)，保證了這種材料的邊界是導電的，從而產(chǎn)生了一種稱為“拓撲邊緣導電”的特性。拓撲學是對幾何圖形或固體性質(zhì)的數(shù)學研究，這些性質(zhì)不會因拉伸或彎曲而改變。將這一概念應(yīng)用到電子材料中會發(fā)現(xiàn)許多有趣的現(xiàn)象，包括拓撲邊緣傳導。

博科園-科學科普：拓撲邊緣傳導通道的工作原理就像電子的高速公路，它允許電子在幾乎沒有阻力的情況下運動。此外，由于邊緣通道可能非常窄，電子設(shè)備可以進一步小型化，研究結(jié)果發(fā)表在2019年2月8的《科學進展》上。領(lǐng)導這項研究的UCR物理學和天文學助理教授崔永濤(音譯)說：

一些材料已經(jīng)被證明是三維拓撲絕緣體，但二維拓撲絕緣體非常罕見，最近的一些實驗證實，單層鎢二碲化鎢(WTe2)是第一種原子薄的二維拓撲絕緣體。對于三維拓撲絕緣體，導電出現(xiàn)在其表面。對于像二維薄板一樣的材料，這種導電特性僅僅存在于薄板的邊緣。實驗室使用了一種名為微波阻抗顯微鏡(MIM)的新實驗技術(shù)，直接成像單層鎢二碲化鎢(WTe2)邊緣的傳導。

單層鎢二碲化鎢(WTe2)薄片角附近的典型MIM圖像，明亮的鋸齒形線表明在單層鎢二碲化鎢(WTe2)邊緣有精確的傳導特征。圖片：Cui lab, UC Riverside

結(jié)果明確地證實了這種有前途的材料的邊緣傳導。盡管鎢二碲化鎢(WTe2)已經(jīng)存在了幾十年，但由于其奇異的物理和電子特性是在拓撲物理學中發(fā)現(xiàn)的，人們對這種材料的興趣在最近幾年才得到提升。鎢二碲化鎢(WTe2)通過范德華相互作用堆積在一起，很容易剝離成薄的二維石墨烯狀薄片。

除了單層WTe2的邊緣導電外，還發(fā)現(xiàn)，由于缺陷(如裂紋)，導電通道可以延伸到材料內(nèi)部。觀測結(jié)果為通過機械或化學手段控制和設(shè)計這種傳導通道指明了新方法。崔在華盛頓大學的合作者準備了單層鎢二碲化鎢(WTe2)樣品。在UCR實驗室進行了MIM測量，包括向尖銳的金屬尖端發(fā)送微波電信號，并將尖端定位在單層鎢二碲化鎢(WTe2)的表面附近。

研究人員崔永濤是加州大學河濱分校物理學和天文學助理教授。圖片：I. Pittalwala, UC Riverside

通過分析樣品反射回來的微波信號，研究人員可以確定直接位于針尖下方的樣品區(qū)域是否導電。掃描了整個樣品的尖端，并直接繪制了局部電導率，在低溫下進行了所有的測量，這是單層鎢二碲化鎢(WTe2)顯示其拓撲特性所必需的。單層鎢二碲化鎢(WTe2)的拓撲性質(zhì)可以作為實現(xiàn)量子計算基本運算平臺。

實驗室已經(jīng)在探索操縱單層鎢二碲化鎢(WTe2)邊緣傳導通道和拓撲物理的新方法。研究團隊正在研究將鎢二碲化鎢(WTe2)單層與其他2d材料疊加是否會改變其拓撲性質(zhì)，還使用機械和化學方法來創(chuàng)建傳導通道網(wǎng)絡(luò)。使用的MIM技術(shù)提供了一種強大的手段來表征拓撲材料(如單層鎢二碲化鎢(WTe2))中的傳導通道。

測量設(shè)置的說明，單層鎢二碲化鎢(WTe2)薄片位于SiO2/Si基板上，并被薄的六角形氮化硼薄片(hBN)覆蓋，以防止其降解。圖片：Cui lab, UC Riverside

博科園-科學科普｜研究/來自: 加州大學河濱分校

參考期刊文獻:《Science Advances》

DOI: 10.1126/sciadv.aat8799

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