近日，北京理工大学物理学院姚裕贵、余智明团队基于拓扑角态，提出了一种全新的电子学概念：角态电子学，并揭示其在量子点领域中有重要的潜在应用。该工作以“Cornertronics in Two-Dimensional Second-Order Topological Insulators”为题发表于物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。
在物理学中，自由度是反映系统参数的基本概念。传统电子器件利用电子的电荷自由度来处理信息。在电子器件中引入自旋和能谷自由度，可以极大地扩展电子器件的功能，并导致自旋电子学和能谷电子学的兴起与发展。在物理上，每个自由度都具备独特的物性，能够为设计电子器件提供新的可能。因此，在新的物理系统中发现新型自由度并揭示其中的新奇物性，一直是凝聚态物理研究中的核心之一。
最近，高阶拓扑绝缘体受到人们的广泛关注。很多材料在理论上被预言为高阶拓扑绝缘体，且部分材料也已被实验所证实。对于二维二阶拓扑绝缘体，其纳米盘的角落处可以出现拓扑角态。然而，对拓扑角态的物性和调控研究一直比较迟滞。此外，荷载拓扑角态的纳米盘本质上是一种新型的高阶拓扑量子点。
研究团队首先从理论上提出角层耦合的概念以实现电场调控拓扑角态，如图1所示。基于对称性分析，团队给出了可以具有角层耦合的层点群列表，并预测单层TiSiCO家族材料是具有角层耦合效应的二维二阶拓扑绝缘体，如图2（c-d）所示。由于角层耦合，单层TiSiCO的拓扑角态可以通过电场实现连续的、大范围的和可切换的控制，如图2（f）所示。此外，单层TiSiCO纳米盘在每一个角落有多组拓扑角态。这些拓扑角态间的能隙大小为太赫兹量级，因此可通过太赫兹波段的线偏振光进行激发。更为重要的是，X角落和Y角落处的拓扑角态的光学响应具有角相反的选择规则，即：激发X角落和Y角落拓扑角态的线偏振光的偏振方向是相互垂直的，如图3所示。这些特殊的光学性质表明，由单层TiSiCO纳米盘构成的新型高阶拓扑量子点可以很自然地探测太赫兹波的光强和偏振。相较而言，使用传统量子点探测太赫兹波需要复杂的设计和工艺、且一般不能直接探测太赫兹波的偏振。此外，高阶拓扑量子点还具有能隙对体系尺寸不敏感的优点，如图4所示。因此，研究团队提出的角态电子学和高阶拓扑量子点为设计具有可调谐带隙的新型太赫兹器件和角态电子学器件提供全新的可能，具有重要的研究和应用意义。
图1. （a）二维二阶拓扑绝缘体纳米盘中的角层耦合。（b）通过电场调控拓扑角态
图2. （a-b）单层TiSiCO沿红色路径计算的Wilson loop。（c）单层TiSiCO纳米盘在不同电场下的能级。（d）Ez = 0 时最低一组角态的实空间电荷密度分布。（e）Ez = 0.05 eV/Å 时1X和1Y角态的实空间电荷密度分布。（f）1X与1Y角态间的能量差随电场的变化。
图3. 单层TiSiCO的X和Y角态具有相反的光学选择规则。
图4. (a) 单层TiSiCO纳米盘的限域能随体系尺寸变化。(b) n="7的单层TiSiCO纳米盘在不同电场下的能级。
北京理工大学是该工作的第一单位和唯一通讯单位。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金项目的大力支持。北京理工大学物理学院的姚裕贵教授和余智明教授为论文的共同通讯作者，韩依琳博士生和崔朝喜博士生为论文的共同第一作者。
文章来源：北京理工大学
