Advanced Science:过渡金属二硫化物的太赫兹光致相变

通常来说,材料可以按其导电性分为绝缘体、半导体、金属(或半金属)等。近年来的物理学理论和实验发现,材料还可以按其电子结构几何相位的拓扑性来进行分类,不同拓扑相的半导体之间存在着显著的光、电、磁学差异。这些电子拓扑差异可以给材料带来很多新物理现象,例如高速且无背散射的电子输运、优异的光电性能、以及提供某些新的准粒子行为。由于这些理论和应用上的重要意义,拓扑相及其相变理论获得了2016年诺贝尔物理学奖。为了取得进一步的实验和应用进展,近年来人们一直致力于寻找和探索具有非易失性的拓扑相变体系,其中二维的过渡金属二硫化物(TMDC,如MoTe2)是最具潜力的材料之一。理论和实验均表明,TMDC的基态结构(H相)是具有谷极化性质的半导体,它可以通过类似马氏体相变的过程转变为拓扑绝缘体(T’相),从而实现拓扑相变,因而这一拓扑相变过程引起了人们的广泛兴趣。此前的理论和实验已经指出可以通过力学、电学或电化学方法诱导H到T’的相变,然而这些方法可能存在相变不完全、速度慢、易引入杂质、与样品直接接触等缺点。

为了克服以上困难,人们需要探索新的相变方案和相变机制。近日,西安交通大学材料学院材料创新设计中心周健教授与国内外专家合作,提出了太赫兹光照下材料结构热力学稳定性和相变理论。光照诱导相变方法与样品不直接接触,从而可以减少样品中不必要的杂质和应力。他们利用量子力学第一性原理方法计算了TMDC的H和T’相电子和声子的太赫兹光响应函数,并根据他们提出的相变理论预言了光频率、强度、偏振方向对两种相稳定性的影响,提出了拓扑相变方案。同时通过理论分析和分子动力学计算,指出这种方案具有产热小、速度快、易调控等优点。这一理论预言与MIT Pablo Jarillo-Herrero和Keith Nelson两个课题组最新的联合实验观测结果非常一致,证实了太赫兹光照相变理论的可靠性和价值。

近年来,西安交通大学周健教授课题组与国内外专家合作,在低频光诱导材料铁弹/铁电结构相变、拓扑相变和弹性应变方向做出了一系列理论预言,相关工作结果已发表在Nano Lett. 18, 7794 (2018); Nano Res. 12, 2634 (2019); NPG Asia Mater. 12, 2 (2020); Phys. Rev. Appl. 14, 014024 (2020); Phys. Rev. Research (Rapid Communication) 2, 022059 (2020); Int. J. Smart & Nano Mater. (invited review) 11, 191 (2020); npj 2D Mater. Appl. 5, 16 (2021)上。本工作受到国家自然科学基金项目的支持。

论文信息:

Terahertz Driven Reversible Topological Phase Transition of Monolayer Transition Metal Dichalcogenides

Jian Zhou*, Haowei Xu, Yongliang Shi, Ju Li*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202003832