栅控二维量子态

Original Ising 量子材料QuantumMaterials 2023-03-20

凝聚态物理研究，调控之风越来越兴盛，成为其中主流和丰腴之地。这么说，一方面是因为新的物态和材料的发现变得越来越困难、越来越充满挑战，整个学科正处在一个平台期。这期间，我们很乐意运用各种外场、寻求各种精到技术，去改变物态和材料状态，美其名为“调控”。对量子材料进行调控，早先叫“量子调控”，现在叫“物态调控”。“量子调控”在中国有一些名人轶事，不知道有没有人记述，

凝聚态物理中用于调控的最经典结构，就是两端或者三端器件的沟道 + 栅极结构。构建一个沟道，覆盖一个栅极，通过栅极施加电场，从而移动沟道材料费米面的位置，实现对其电磁输运状态的控制。这样一个方案，物理清晰、结构简单、今天来看易于制造，也便于进行凝聚态物理描述，堪称凝聚态使用最广泛的调控结构。半个多世纪以来，基于这一结构的调控物理如高山流水、络绎不绝。

最近，有两个调控方式的拓展值得提及。一是电化学调控、一是维度调控。前者，原本基于离子液体栅极调控的发明，后者则源于二维电子气栅极调控的发明。这两者的兴起，可不是简单的栅极调控物理拓展，而是伴随有很多新物理涌现出来 (emergent phenomena)。

对电化学调控，好几年前，Ising 曾经到中科大参加一个小型会议，会上第一次听陈仙辉老师讲他们利用快离子液体作为栅极进行沟道调控。因为带电离子的快速迁移，一个很小的外加电压，即可将液体栅极中的带电离子聚集到沟道表面，形成极强的栅极电场。这种调控，有双重功效：(1) 既能产生传统的静电栅极效应，而且栅极电场要强很多；(2) 还能产生电化学效应，即外电场可以直接将带电离子注入到沟道中，电化学改性沟道的物理化学性质。后来，Ising 也听过清华大学于浦老师讲他们的电化学调控工作，似乎是新效应不断。其中一个效应，便是将擅长氧化物异质结物理的于浦教授，给拽到电化学调控关联材料新物态这个新领域中去了。总之，这一方向当前正如火如荼，引得很多物理人摩拳擦掌。

与此不同，维度调控似乎更为物理一些，因为没有电化学问题。这里的维度，是说传统FET的沟道层总是有一定厚度的。实际能够被栅极调控而显著移动费米面的只是其中很薄很薄的表面层。由此，沟道层实际上就是被显著调控的表层，加上未被咋地的深层。因为两者叠加，所以物理并不纯，或者说沟道调控并不显著。

WTe₂的无能隙边缘态

(Y. M. Shi et al, Sci. Adv. 5, aat8799 (2019))

感谢二维材料诞生，物理人可以制造出单胞层的新材料，从而可以获得自然界最薄的沟道层：单胞、单原子、单分子厚度！这样一来，具有 2D 沟道的 FET 调控达到了另外一个电场效应无出其右的极端：横跨整个沟道，从而达到极端天涯。

如此贯穿的栅极电场效应，当然就能让我们看到很多原来的 FET 沟道不能及至的新物理。毋庸置疑，很多物理人马上就能明白这些物理是什么、从各自专业角度能够做什么，只要您能搞定 2D 材料的制备和 2D - FET 器件的制造，一切尽在梦想中。例如，从事量子材料研究的同行们，马上就会想到对 2D 超导、2D 拓扑、2D 磁性，2D 魔角等进行栅极调控、如此等等，当可甩开膀子大干一场。

来自米国 UIUC 的女汉子物理名家 Vidya Madhavan 教授团队，似乎很早就开始了这方面的探索。当年她还在米国波士顿学院物理系工作时，就将极端条件下的 STM 及其隧道谱探测玩出很高水准，特别是在非常规超导和拓扑量子物理方面成绩丰硕。现在，她们将研究兴趣拓展到 2D 材料的栅极调控，看起来顺理成章：利用背栅结构，2D 材料的正面就完全敞开在她的STM 针尖下方，任由 STM 探测了。

1T' - WTe₂的基本物理性质和能带结构。

Madhavan 她们，主要利用 STM 辅助第一性原理计算，对 MBE 生长的高质量单层 1T' - WTe₂ 体系开展研究。注意到，这个材料本身已经被很多物理人关注过：这是一个量子自旋霍尔绝缘体，具有无能隙的螺旋边缘态 (gapless helical edge state)。它的优点之一便是这个边缘态可以存活到 100 K 的高温，这可是很多拓扑材料很难高企之处。那些拓扑边缘态、强关联物理，包括拓扑超导物理和分数激发，都是量子材料人的喜爱之物。不过，至少对 WTe₂，要解构这些前沿课题，前人工作遭遇到的困难很多。其中一大挑战，是不同实验给出的体带隙和电子结构特征变化很大，且根源也不清楚。现在，利用这个 monolayer 特性，进行栅极调控，大概不难揭示其中带隙变化的起源，并容易预期到新物理出来。而这个物理，在原来的三维沟道层中大概很难被凸显出来。

她们大张旗鼓，摸索了一番，得到了一些不错的结果：

(1) 对这一三个亚原子层组成的结构，第一性原来计算得到的导带主要由顶层和底层贡献，它们的自旋被锁定为反向排列。价带，当然主要来自于中间的 W 原子层的贡献。

(2) 栅极电场，因为可以贯穿，因此调控电子结构的显著性就出来了，从而让我们观测到自旋对能带的劈裂效应，带隙变化其实很大。

当然，这一工作一个最主要的结果便是：栅极电场原来可以显著调节体系的能隙大小，最大可以达到数十 meV，令人惊奇。而且，这种巨大变化根植于电场导致的空间反转对称破缺，导致的自旋相关之能带劈裂。这就是上述第 (2) 点的结果，而价带/导带的局域化特征和 2D 表面的 Rashba 效应有不可或缺的影响。

我们久经考验的物理，都是基态和基态下的低能激发态。现在，我们终于可以有一些体系，可以借助传统的栅极结构，实施更为干净彻底的激发。这是物理人期待的，也给新物理带来启发困惑：怎么去更高能量的激发？Madhavan 教授团队用这个初步的结果揭示了这些原本栅极调控难以展示的结果。看起来，那些原来的认知可能都需要稍微更新一二。

雷打不动的结尾：Ising 是外行，如若理解错了，敬请谅解。各位有兴趣，请前往御览原文。原文链接：

Nanoscale studies of electric field effects on monolayer 1Tʹ-WTe₂

Yulia Maximenko, Yueqing Chang, Guannan Chen, Mark R. Hirsbrunner, Waclaw Swiech, Taylor L. Hughes, Lucas K. Wagner & Vidya Madhavan

npj Quantum Materials volume 7, Article number: 29

https://www.nature.com/articles/s41535-022-00433-x

卜算子·山丘

少小越山丘，未惮苍穹远

漫洒菁华种雨风，夏散秋声倦

蹊径步云峥，挂月乔峰挽

漠漠荆榛不屈张，再越山丘看

备注：

(1) 编者 Ising，任职南京大学物理学院，兼职《npj Quantum Materials》编辑。