Crossover fra 2-D metal til 3-D Dirac semimetal i metalliske PtTe2-film med lokal Rashba-effekt

Overgangsmetal dichalcogenider (TMDC'er) dannet af gruppe 10 metaller (f.eks. PtSe ₂ , PtTe ₂ ) er dukket op som vigtige materialer med spændende egenskaber opdaget både i bulk-enkeltkrystaller og atomisk tynde film. Mens bulk PtSe ₂ og PtTe ₂ er type II Dirac-halvmetaller, monolag (ML) PtSe ₂ film er en halvleder med spiralformet spin-tekstur induceret af lokal Rashba-effekt. Imidlertid, egenskaberne af atomisk tynd PtTe ₂ film og udviklingen med filmtykkelse forbliver uudforsket. For nylig, Shuyun Zhous gruppe fra Tsinghua University rapporterede en systematisk undersøgelse af den elektroniske struktur af højkvalitets PtTe ₂ tynde film med tykkelse fra 2 ML til 6 ML dyrket ved molekylær stråleepitaksi (MBE). Dette arbejde giver direkte eksperimentelt bevis for en crossover fra 2-D metal (2ML film, skelnes fra den halvledende PtSe ₂ film) til 3-D Dirac semimetal i PtTe ₂ film med spin-tekstur induceret af lokal Rashba-effekt.

I bulk PtTe ₂ krystal, masseløse Dirac-fermioner viser sig at dukke op ved de topologisk beskyttede berøringspunkter af elektron- og hullommer. Den stærkt vippede Dirac-kegle langs impulsretningen uden for planet bryder Lorentz-invariansen, og derfor er lavenergi-excitationerne Dirac-fermioner, der ikke har modstykke i højenergifysik. Deres tidligere arbejde viser, at det isostrukturelle materiale PtSe ₂ er også en type II Dirac semimetal, og der er en 3-D Dirac halvmetal-halvleder overgang med faldende tykkelse. Ud over, monolag PtSe ₂ viser interessant spiralformet spin-tekstur induceret af lokal Rashba-effekt (R-2) på trods af, at selve monolagsfilmen er centrosymmetrisk. En sådan skjult spin-tekstur induceret af lokal Rashba-effekt er blevet forventet at give en vigtig platform til at realisere ny topologisk superledning med ulige paritet, hvis superledning med s-bølgeparring kan induceres. Imidlertid, i betragtning af at monolag PtSe ₂ er en halvleder med en stor spaltestørrelse på 1,2 eV, det er svært at tune Fermi-energien i så stort et område for at gøre det til en superleder. Det er derfor vigtigt at finde en lignende centrosymmetrisk film med en lokal Rashba-effekt, men med en metallisk egenskab, som kan give bedre mulighed for at realisere topologisk superledning.

I dette arbejde, ved at bruge ARPES, Shuyun Zhou's gruppe registrerer direkte den elektroniske struktur af PtTe ₂ tynde film med forskellig tykkelse, og observerede metallisk båndspredning af PtTe ₂ tynde film selv ned til 2 ML. En crossover fra 2-D metal (2ML, skelnes fra 2 ML halvledende PtSe ₂ film) til 3-D Dirac semimetal afsløres også. Den elektroniske dispersion udviser stærk tykkelsesafhængig:med stigende filmtykkelse, de V-formede lommer på Fermi niveau i 2 ML og 3 ML film bevæger sig ned i energi og rører til sidst den hullignende lomme ved højere bindingsenergi, fører til dannelsen af ​​en tredimensionel type II Dirac fermioner i 4-6 ML film, som udviser lignende spredning som bulkkrystal og således effektivt er et topologisk halvmetal. Yderligere spin-ARPES-målinger på PtTe ₂ bulkkrystal afslører en spiralformet spin-tekstur induceret af lokal Rashba-effekt. Da Rashba-effekten er bestemt af krystalsymmetrien og bulk og tynd film PtTe ₂ deler den samme symmetri, lignende spin-tekstur af lokal Rashba-effekt forventes også i PtTe ₂ tynde film.

Denne systematiske undersøgelse af PtTe ₂ tynde film med kontrolleret tykkelse tilbyder en unik platform til at studere de metalliske tyndfilm med lokal Rashba-effekt, og åbner muligheder for yderligere at undersøge de spændende egenskaber, f.eks. dopinginduceret superledning eller topologisk superledning.