南京大學(xué)&蘇州大學(xué)《Nature》：打開晶體拓?fù)湎嘌芯啃麓箝T！普樂斯等離子清洗機(jī)傳遞分享！
文章導(dǎo)讀：編輯推薦：本文首次報道了一種體-錯位關(guān)系的實驗證明。該研究為晶體拓?fù)湎嗟难芯看蜷_了一扇大門，這是一個擁有大量未被探索的材料和現(xiàn)象的前沿領(lǐng)域。普樂斯等離子清洗機(jī)傳遞分享！
大多數(shù)天然和人工材料都具有晶體結(jié)構(gòu)，從晶體結(jié)構(gòu)中可以產(chǎn)生豐富的拓?fù)湎?。雖然體-邊對應(yīng)關(guān)系已被廣泛用于根據(jù)邊緣特性來確定能帶拓?fù)涞膶嶒炛?，但這不足以辨別各種拓?fù)渚w相。從理論上預(yù)測，普遍存在的晶體缺陷（位錯）可以提供一個有效的探索拓?fù)渚w結(jié)構(gòu)，但這還沒有在實驗中得到證實。普樂斯等離子清洗機(jī)給大家傳遞分享！
近日，來自南京大學(xué)的蒲殷&蘇州大學(xué)的蔣建華等研究者，報道了一種體-錯位關(guān)系的實驗證明，它表現(xiàn)為分?jǐn)?shù)譜電荷和錯位處魯棒的束縛態(tài)。相關(guān)論文以題為“Bulk–disclination correspondence in topological crystalline insulators”發(fā)表在Nature上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03125-3
對稱性在物質(zhì)拓?fù)鋺B(tài)的研究中起著關(guān)鍵的作用。最近對拓?fù)洳牧贤暾夸浰鞯膰L試顯示，固體晶體中的230個空間群導(dǎo)致了具有非常大分類的大量拓?fù)渚w絕緣體(TCI)。最大的挑戰(zhàn)是如何通過實驗來識別晶體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只考慮體邊對應(yīng)是不夠的。這主要是因為晶體的邊界(表面、邊緣等等)具有較低的對稱性，因此比整體信息更少。例如，在最近發(fā)現(xiàn)的具有分?jǐn)?shù)偶極或四極極化的高階拓?fù)浣^緣子中，其邊緣并不攜帶體電荷模式的全部信息。
向錯-晶體固體中普遍存在的拓?fù)淙毕?已被預(yù)測為各種類型晶體拓?fù)涞挠行w探針。一個主要的拓?fù)溆^測，是由于晶體結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)破壞，而產(chǎn)生的束縛于向錯的分?jǐn)?shù)電荷。這樣的分?jǐn)?shù)電荷可以用來推導(dǎo)出對稱保護(hù)的體電荷模式，從而作為不同TCIs的獨特觀察對象。相比之下，邊緣邊界處的分?jǐn)?shù)電荷和向錯只能探測體極化而不能探測體電荷模式。
在此，研究者報告了一種體積向錯對應(yīng)的實驗演示，它表現(xiàn)為分?jǐn)?shù)光譜電荷和在向錯處的魯棒束縛態(tài)。分?jǐn)?shù)向錯電荷源于對稱保護(hù)的體電荷模式，這是許多拓?fù)渚w絕緣子(TCIs)的基本特性。此外，位錯處的健壯界態(tài)是TCIs次要的性質(zhì)，但可以直接觀察到的性質(zhì)。研究者利用可重構(gòu)光子晶體作為具有高階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光子TCIs，通過泵浦探針和近場探測測量觀察到這些標(biāo)志性特征。結(jié)果表明，分?jǐn)?shù)電荷態(tài)和定域態(tài)都出現(xiàn)在TCI相中，而在平凡相中消失。
圖1 向錯作為晶體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的體狀探針
圖2 光子TCI和向錯
圖3 體狀-向錯對應(yīng)
圖4 向錯態(tài)的測量
綜上所述，研究者通過實驗證明了一種拓?fù)洮F(xiàn)象，即體狀-向錯對應(yīng)，通過檢測分?jǐn)?shù)譜電荷和向錯處的定域態(tài)。通過這些性質(zhì)對晶體拓?fù)涞膶嶒炞R別可以直接推廣到電子拓?fù)渚w材料中，其中的向錯態(tài)和LDOS可以直接用掃描隧道顯微鏡測量。此外，固態(tài)材料中普遍存在的向錯錯也為此類實驗提供了便利。該研究為晶體拓?fù)湎嗟难芯看蜷_了一扇大門——這是一個擁有大量未被探索的材料和現(xiàn)象的前沿領(lǐng)域。
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