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图 剪切应力调控NiTe2谷极化导致三套朗道能级产生
在国家自然科学基金项目（批准号：61888102、52022105、11974393）等资助下，中国科学院物理研究所高鸿钧院士团队与国外合作者在过渡金属硫属化合物（TMDs）拓扑表面态电子量子自由度的调控研究中取得进展。成果以“应力调控的过渡金属硫属化物的多重朗道量子化（Tuning multiple Landau Quantization in Transition-Metal Dichalcogenide with Strain）”为题，于2023年4月4日发表在《纳米快报》（Nano Letters）上，论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c00110。
具有无能隙和螺旋狄拉克锥的拓扑表面态是三维拓扑绝缘体的显著特性之一，其电子自旋和晶体动量锁定在一起（spin-momentum locking），形成独特的螺旋状自旋结构（helical spin texture）。有效调控拓扑表面态电子的量子自由度，如自旋、能谷、轨道、旋度等，是发展未来量子信息器件的重要推动力之一。此外，作为一种受拓扑保护的二维电子态，拓扑表面态在强磁场下会发生朗道量子化现象。该现象可以通过朗道能级谱直接观测。这不仅使实验观测拓扑表面态成为可能，更为研究拓扑表面态电子量子自由度的调控方法提供了实验依据。TMDs材料因具有丰富的拓扑物性，被认为是研究拓扑表面态电子量子自由度调控的理想候选材料。然而，科研人员尚未实现对该类材料拓扑表面态电子量子态的调控。
近期，高鸿钧院士带领的团队成功实现了应力对TMD拓扑半金属材料NiTe2的拓扑表面态电子量子自由度的调控。他们发现，强磁场下在没有施加应力的表面区域，NiTe2的拓扑表面态发生朗道量子化，产生一套清晰的朗道能级。而在施加应力的区域，朗道能级则在原来的基础上发生了劈裂，出现多套朗道能级。进一步观测发现，在受到单轴应力和剪切应力的表面区域，NiTe2分别产生了两套和三套朗道能级（图）。这表明应力能有效调控NiTe2拓扑表面态电子的其中一种量子自由度，即谷自由度。通过第一性原理计算，他们进一步探究了应力调控拓扑表面态谷自由度的原因：应力破坏了NiTe2单晶的晶格旋转对称性，打破了拓扑表面态的谷简并，从而使朗道量子化衍生出多套朗道能级。其中，单轴应力部分打破了NiTe2晶格的三重对称性，导致拓扑表面态谷简并也被部分打破，产生两套能级；而剪切应力则完全打破了NiTe2晶格的三重对称性，导致拓扑表面态的谷简并被完全打破，从而产生三套朗道能级。
项目研究揭示了应力对NiTe2材料拓扑表面态电子谷自由度极化（谷极化）及其多套朗道量子化的调控效应和机理，为调控具有丰富拓扑物性材料的电子量子自由度提供了新思路，研究成果有望应用于实现量子效应器件。