拓扑晶体绝缘体表面态的光学和光电性质及其调控机理

Topological crystalline insulators (TCIs) are new types of topological phases of matter that are protected by crystalline symmetry and very different from topological insulators. TCIs open up new opportunities to pursue novel quantum phenomena that may not be possible with topological insulators, including electric-field-tunable bandgap, large-Chern-number quantum anomalous Hall effect, valley-dependent optoelectronic phenomena and so on, which are of great importance to fundamental research as well as applications. The observation of these quantum phenomena requires precise control of the topological surface states and their transport and optical properties using electric field, strain, optical excitation, etc, which still remains a grand challenge experimentally. In this project, we propose to employ infrared spectroscopy to systematically investigate thin films of TCI Pb_(1-x)Sn_(x)Se and Pb_(1-x)Sn_(x)Te, focusing on the evolution of their topological properties and the physical properties of surface states with the thickness of the films. Based on these studies, the influence of electric field and strain on the optical and optoelectronic properties of surface states in TCI films will be investigated with the aim of establishing an effective approach for controlling the surface states and their physical properties and elucidating the related mechanisms. These studies will provide a foundation for observing various unique quantum phenomena in TCIs.

拓扑晶体绝缘体是一种拓扑性质受晶体对称性保护的、不同于拓扑绝缘体的量子物态，在这种物态中有望发现许多拓扑绝缘体不具有的新奇量子现象，例如可被电场调控的能隙、高陈数量子反常霍尔效应、多种能谷光电和输运效应等，有重要的基础研究和应用价值。这些量子效应的观测需要通过电场、应变、光激发等对拓扑表面态及其输运和光学性质进行精准的调控——目前这在实验中仍是一个巨大的挑战。本项目将使用红外光谱等手段系统地研究拓扑晶体绝缘体Pb_(1-x)Sn_(x)Se、Pb_(1-x)Sn_(x)Te薄膜的拓扑性质和表面态物性随薄膜厚度的演化规律，在此基础上通过多种实验手段深入研究电场和应变对表面态光学和光电输运性质的影响，探索对表面态及其物性进行有效调控的手段和机理，以期为观测和研究拓扑晶体绝缘体特有的各种新奇量子效应提供物理基础。

由于原定研究计划的执行受到疫情的严重影响，本项目调整了研究计划，对二维莫尔超晶格体系的能带、拓扑畴壁态和光学性质开展了研究。此类体系可以通过层间转角对电子能带进行灵活的调控，进而实现量子反常霍尔效应、超导等一系列拓扑效应和强关联效应，为发现和构造新的量子现象和器件功能提供了一个高度可调的平台。本项目对转角石墨烯等二维莫尔超晶格体系的能带、拓扑性质、光电导、近场光谱等进行了理论和实验研究，主要包括应变和晶格弛豫对莫尔平带的带宽和拓扑性质的影响、各种物理效应影响下的光电导谱、拓扑态对光电导的贡献、等离激元调控等方面，聚焦拓扑畴壁电子态相关的光学性质研究，以期推进此类体系新奇拓扑物理的基础与应用研究。主要成果包括：开展了莫尔超晶格体系中极化激元的近场光学实验研究，首次发现此类体系中拓扑畴壁态的局域应变方向为调控能带结构和极化激元的传播行为提供了一个新的自由度；理论研究了转角石墨烯／氮化硼超晶格体系中拓扑畴壁态对极化激元散射和干涉的影响，发现极化激元的二维传播与干涉可以显著地由层间距和超晶格周期变化而调控；揭示了转角双层石墨烯近场光谱中带内和带间等离激元的谱学特征，由此可以为能带结构、范霍夫奇点和集体元激发的研究提供关键信息；系统研究了转角石墨烯体系在不同掺杂和堆叠方式下的能带、带宽和光电导，发现应变与晶格弛豫效应在光电导谱中展示出独特的光谱特征，发现一维拓扑畴壁态对光电导有显著贡献。这些研究成果揭示了堆叠方式、应变、晶格弛豫等效应或因素对转角石墨烯体系能带、拓扑性质和光电导的影响及其光谱特征，揭示了拓扑畴壁态对莫尔体系光电导以及极化激元传播的影响规律，为二维莫尔超晶格体系的能带调控、光与物质相互作用、拓扑物态等方面的研究奠定了基础，也为其在纳米量子光学领域的应用提供了新的途径和思路。