有机拓扑绝缘体的理论预言和实验表征

The introduction of topological order and the experimental verification of condensed matter systems with non-trivial topological index marks a new era of fundamental physics research. Till today, however, all experimentally-verified topological systems are inorganic. Attention has recently been drawn on the possibility of topological non-triviality based on organic materials. Baring the advantages of low cost, easy fabrication and notable mechanical flexibility, the discovery and characterization of organic topological systems will for sure revolutionize the path of manufacturing and utilizing topological materials. Within the scope of this application, we aim at exploring the possibility of two dimensional organic topological systems through ab-initio calculations, material fabrications and electronic structure characterizations. On the theoretical side, we will browse through the band structures of various two dimensional organic networks, among which novel topological systems would be predicted. On the fabrication side, MBE self-assembled organic thin-films will be grown on metallic substrates. Prof. Nian Lin of our group is a world expert on that. Further band structure characterization using STM and ARPES will be performed on promising candidates of organic TIs using our integrated ARPES + STM system, aiming at unveiling decisive evidences of topological nontriviality on organic networks.

凝聚态物理学中拓扑序的引入以及一系列不寻常拓扑序的实验发现标志着基础物理研究的一个新时代的到来，然而到目前为止，所有实验证实的拓扑不寻常体系都是无机的凝聚态系统。从2013年起，有机物作为拓扑不寻常体系的可能性开始引起理论研究者的关注。由于有机材料天然具有低成本、易合成和机械延展性好等等优点，有机拓扑体系的发现和表征将为拓扑不寻常体系的最终应用带来革命性的突破。本项目致力于从理论计算、材料合成和实验表征三方面全方位探讨二维有机拓扑体系存在的可能性。在理论计算方面，本项目将对各种二维有机网络的能带结构作一个系统的梳理，进而预言可能的拓扑不寻常体系。在材料合成方面，本项目利用基于金属衬底的MBE技术生长各种有机单晶薄膜。课题的合作者林念教授是此技术的世界一流专家。对于可能的二维拓扑体系，本项目利用南科大已购置的ARPES + STM系统对薄膜进行实验表征，希望找到拓扑边缘态存在的决定性证据。

拓扑绝缘体的发现使人们对凝聚态物理中的一些基础概念有了更深刻的认识。由于拓扑绝缘体的表面或者边界态受拓扑保护而不受弹性背散射和局域化的限制，这种独特的拓扑态可以导致许多新奇的量子现象，在低能耗电子器件、自旋电子学以及拓扑量子计算等领域有着广阔的应用前景。迄今为止，所有已经发现的拓扑绝缘体材料都是无机物。与无机材料相比，有机材料具有成本低、易于合成和机械延展性好等优点，同时有机材料也可以实现许多传统的无机材料所具有的性质，比如有机超导、有机发光二极管、有机太阳能电池和有机场效应晶体管等等。此外，有机分子多变的结构和组分所产生的分子种类和数量要远远多于无机材料。鉴于有机材料的这些优点，有研究人员已经开始考虑利用有机物来开发拓扑绝缘体材料，他们预测在金属-有机框架结构材料中会存在二维有机拓扑绝缘体以及有机陈绝缘体。目前已有大量基于第一性原理的理论计算文章预言了在单层的金属-有机框架结构材料中会存在有机拓扑绝缘体，但是实验上还没有确认这一点。本项目致力于在实验上探讨有机拓扑绝缘体存在的可能性。我们利用搭建的有机分子束外延设备，在Cu(111)衬底上生长了单层Cu-T4PT金属-有机框架材料薄膜。借助角分辨光电子能谱和基于扫描隧道显微镜的准粒子干涉技术，我们发现这种样品除了表现出金属衬底原有的肖克利表面态外，还存在一套与金属有机晶格的周期性相对应的新表面态，这些新表面态是Cu(111)衬底表面的二维电子气在金属-有机框架材料薄膜的周期性孔洞引起的二维周期性限域势场的调制下产生的具有新的周期性的表面态。我们的工作表明，可以通过周期性的二维金属-有机框架材料来可控地调制金属衬底的表面态。这一成果将促进在低维尺度下对电子波函数调控工程的研究，对量子物理中的基础研究具有一定意义。