近日贾金锋教授团队与香港科技大学刘军伟教授研究组合作在二维拓扑绝缘体的应力调控方面取得突破。成果以“Strain tunable semimetal-topological insulator transition in monolayer 1T^'-WTe₂”为题在Physical Review Letters上发表

二维拓扑绝缘体又叫量子自旋霍尔绝缘体，其边缘具有受到拓扑保护的helical 边缘态。该通道因可以支撑无耗散的电子传输而被广泛研究，被认为是实现下一代低损耗电子器件的重要材料。单层的1T'-WTe₂薄膜是目前实验表现最好的二维拓扑绝缘体之一，其边缘态被各种非局域输运测试所验证，并且其边缘通道在100 nm长度内呈现出量子化的电导值2e²/h。然而，超过该长度极限后，其边缘通道的电导值开始下降，导致该现象的一个主要原因是单层的1T'-WTe₂是半金属性的，缺乏一个绝缘能隙。因此体态和边缘态的相互干扰影响了边缘态的相干长度。找到一种可行的手段在单层的1T'-WTe₂中调控出绝缘能隙成为当务之急。

在贾金锋教授指导下，博士生赵晨晓通过衬底的形变在1T'-WTe₂薄膜中引入应力并利用原位STM分析了能带与应力的关系。通过大量的数据统计发现：在a晶格方向施加一个的压缩应力或沿b晶格方向施加一个拉伸应力，可以使得1T’-WTe₂体系的导带和价带分别向远离费米面的方向移动，从而使得二者的重叠减少进而打开一个绝缘能隙。该结果与通过能带和轨道分析的结果一致（见下图a）。

(a) 单层 WTe₂薄膜电子特性随应力变化的的相图。 (b) WTe₂ 薄膜沿a 晶格方向计算出的边缘态。
(c) & (d) 实验上分别沿WTe₂薄膜a和b方向跨边缘的电子态空间分布。薄膜内部存在一个能隙，而在边缘处能隙消失且态密度明显升高。

此外，在被应力调控成为绝缘体系的1T'-WTe₂薄膜上，依然可以在边缘处探测到拓扑边缘态的存在（见上图c, d）。这说明应力的引入并没有对体系的拓扑特性造成影响。通过理论计算出应力下的体系的相图，可以发现，体系的拓扑性质足以抵抗远大于实验中提供的应力，这充分说明了应力调控在该体系中具有很大的操作空间（上图a, b）。该工作验证了应力调控拓扑材料的可行性，有利于在单层的1T'-WTe₂ 体系上实现更长相干长度的拓扑边缘导电通道，并且为可调控性拓扑量子器件提供了可能。