科研进展
【科研进展】拓扑材料表面实现铁电极化和拓扑表面态的共存
上海交通大学物理与天文学院钱冬教授研究组和张文涛教授、罗卫东教授、史志文教授和贾金锋教授研究组开展合作，结合角分辨光电子能谱（ARPES）、扫描隧道显微镜（STM）、压电力显微镜（PFM）以及第一性原理计算，研究了拓扑半金属材料TaNiTe5的拓扑狄拉克表面态、非中心对称的表面原子弛豫以及铁电极化现象，在实验上发现了拓扑相和铁电金属相共存的新体系。该工作以“Coexistence of Ferroelectriclike Polarization and Dirac-like Surface State in TaNiTe5”于2022年3月以封面文章发表于Physical Review Letters 128, 106802 (2022)。
论文链接（点击阅读原文了解更多）：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.106802
铁电材料一般具有非中心对称的晶体结构并能产生自发极化。通常来讲，铁电性只存在于绝缘体或者半导体当中，金属中由于自由载流子的屏蔽效应而排斥铁电极化。但是在二十世纪六十年代，安德森和布朗特理论上提出在反演不对称晶体结构的金属体系中有可能存在铁电金属态。此后，研究者们不断尝试探索金属体系当中的铁电性。
图 1. （a）TaNiTe5费米能级附近的ARPES能谱。（b）不同圆偏振下ARPES能谱的差值。（c）改变光子能量得到的费米面。（d）理论计算中体能带和表面态的投影
TaNiTe5被理论预言是拓扑节线半金属，在本工作中，如图1所示，研究人员利用ARPES在TaNiTe5布里渊区中心发现了线性色散的能带交叉，进一步改变光子能量和偏振的实验结果表明该能带起源于表面态，结合理论计算证明了此表面态受到体能带轨道和宇称反转的拓扑保护。
图 2. （a）和（b）为TaNiTe5的表面原子结构。（c）和（d）为PFM相位和振幅随偏压的变化曲线。（e）为针尖偏压写入后的相位翻转图。
TaNiTe5具有中心对称的体晶格结构，然而研究者们发现其表面发生了奇特的原子弛豫——在保持原本面内晶格常数不变的前提下，原子排布不再具有中心反演和镜面对称，如图2所示，这种非中心对称的结构将有可能引发电荷极化。在PFM改变偏压的测试中，TaNiTe5存在明显的铁电相位回滞曲线以及振幅“蝴蝶”曲线，并且铁电翻转受到约4V阈值偏压的限制，这些均为铁电极化的标准特性。另外通过控制针尖对样品不同区域施加反向的偏压写入，成功在其表面实现了铁电畴的翻转。该工作为研究铁电金属以及拓扑表面态的共存提供了新的平台。
本工作得到科技部、基金委以及上海市的资助。物理与天文学院博士生李云龙和冉召为论文共同第一作者，张文涛教授、罗卫东教授和钱冬教授为共同通讯作者。