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  自从魔角石墨烯中发现超导电性和类似于Mott的强关联绝缘体行为以来,平带材料的探索成为凝聚态物理研究中的一大热点。当材料中存在平带,并且该平带处于费米面附近时,会使费米面附近的电子态密度出现范霍夫奇点。这样的系统很容易诱导出新奇的量子态,例如超导电性。理论计算表明,拓扑绝缘体中的反带不可避免的会出现墨西哥帽形状,这种形状的电子能带色散会导致一种新型的范霍夫奇点。当这种新型的范霍夫奇点被调制到费米能级附近时,则可能诱导出超导电性,从而实现拓扑超导。先前的实验研究尚未报导拓扑绝缘体中这种墨西哥帽形反带导致的新型范霍夫奇点。

 Sn掺杂的Bi1.1Sb0.9Te2S是目前发现的体电阻最大的拓扑绝缘体,并且其费米能级处于体态带隙中,这为利用光谱手段探测墨西哥帽形反带导致的新型范霍夫奇点提供了条件。我们对Sn掺杂的Bi1.1Sb0.9Te2S进行了红外光谱研究,该材料低频的光电导几乎消失,未表现出Drude响应,表明其极佳的绝缘体性质。 随着光子能量的增加,5 K的光电导谱在大约1500 cm-1附近出现很陡的吸收边,在大约2200 cm-1附近出现非常尖锐的吸收峰,随着温度的升高,吸收峰逐渐变弱并向低频移动,这种光学响应符合范霍夫奇点的特征。我们还进行了第一性原理计算,得到该材料的电子能带结构和相应的光电导谱,发现当考虑了自旋轨道耦合之后,布里渊区的Γ点附近出现墨西哥帽形状的反带,理论计算的光电导谱上出现2400 cm-1附近的尖锐吸收峰。随着第一性原理计算中晶格常数的增大,尖峰变弱并向低频移动,与实验得到的光电导谱完全一致。实验数据和第一性原理计算结果的对比表明光电导谱2200 cm-1附近的尖峰是Sn掺杂的Bi1.1Sb0.9Te2S中墨西哥帽形反带导致的范霍夫奇点。拓扑绝缘体中这种新型范霍夫奇点的发现为理解拓扑绝缘体中诱导出的新颖量子态以及寻找拓扑超导体提供新的思路。该工作于2020年3月24日作为Rapid Communications在线发表在Physical Review B上【Phys. Rev. B 101, 121115(R) (2020)】。 

图1.(a) 拓扑绝缘体中反带形成的墨西哥帽形色散的示意图;(b) 实验测得的Sn掺杂的Bi1.1Sb0.9Te2S在不同温度下的光电导谱,可以很明显的看到5 K光电导谱在2200 cm-1附近尖锐的吸收峰。(c,d) 理论计算的BiSbTe2S的电子能带结构和相应的光电导,这里通过调整理论计算中的晶格常数a/a0来模拟实验中的温度效应。(d)中理论计算的a/a0 = 1.05光电导谱上2400cm-1附近的尖峰是(c)的能带结构上Γ点附近墨西哥帽形的反带导致的范霍夫奇点。

   该工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金委的支持,在此表示感谢!