近日，我院自旋电子学课题组与澳大利亚研究组合作，在量子自旋霍尔绝缘体方面取得重要研究进展。我院王瑞强教授自旋电子学课题组与澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）王澜教授团队、新南威尔士大学（University of New South Wales） Alex R. Hamilton教授团队合作，利用各向异性磁电阻输运成功探测了拓扑量子态的自旋-动量锁定特性。研究成果以“Spin-Momentum Locking Induced Anisotropic Magnetoresistance in Monolayer WTe₂”为题，于10月25日在线发表在国际权威期刊《Nano Letters》上, 文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02329。

量子自旋霍尔绝缘体是一类体态绝缘、同时具有自旋-动量锁定螺旋边缘态的二维拓扑绝缘体，最早在HgTe/CdTe和 InAs/GaSb量子阱中实现，因其呈现有趣的自旋霍尔效应在凝聚态物理中备受关注。通常的量子自旋霍尔绝缘体体能隙较小，其边缘态特性，包括量子化电导和自旋-动量锁定，由于容易受到体态的影响而难以探测。最近，人们预测单层WTe₂是一种具有大体能隙的量子自旋霍尔绝缘体，实验上已证实了其在温度高达100 K时，仍表现为边缘输运，这极大地激发了研究人员对单层或薄层WTe₂的广泛研究，为超导、铁电、光电效应、非线性霍尔效应等有趣现象的实现提供了新的平台。当前，量子化霍尔电导已经在实验上得到证实，但作为量子自旋霍尔绝缘体边缘态的最重要特性——自旋-动量锁定，却一直未在实验上得到证实。如何通过量子输运探测边缘态自旋-动量锁定的螺旋特性是现阶段亟待解决的重要问题。

在本工作中，我院科研团队首先基于单层WTe₂的特殊能带结构在理论上推导出了其边缘态，发现其拓扑边缘态不同于通常的边缘态，其自旋不是简单地平行于二维材料表面，而是可以指向空间的任意方向，从理论上弄清楚了之前实验上难以探测自旋-轨道锁定的主要原因。进一步的理论计算发现，其拓扑边缘态的自旋指向强烈依赖电流方向，但始终保持在垂直于电流方向的平面上，表现出自旋-动量锁定的特殊属性。该研究组结合自身在磁电阻输运方面的优势，从理论上找出了边缘态自旋量子化轴与各向异性磁电阻之间的关系，与澳大利亚皇家墨尔本理工学院王澜教授团队和新南威尔士大学 Alex R. Hamilton教授团队合作，在实验上成功探测到单层WTe₂拓扑边缘态自旋-动量锁定特性，确定了单层WTe₂是一种量子自旋霍尔绝缘体，推动了拓扑量子态的研究进程。

图1：a. 理论模型和实验装置；b. 理论计算和实验结果。

我院青年拔尖人才邓明勋博士和澳大利亚皇家墨尔本理工大学谈诚博士、郑国霖博士为共同第一作者，我院珠江学者特聘教授王瑞强研究员和澳大利亚皇家墨尔本理工学院王澜教授、新南威尔士大学Alex R. Hamilton教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、广州市科技计划项目等项目的资助。

此外，该自旋电子学研究团队与澳大利亚新南威尔士大学Dimitrie Culcer教授组、皇家墨尔本理工大学王澜教授组进一步合作，发展了一个非线性输运量子动力学理论，并应用其探测WTe₂边缘态的非线性色散关系，该成果作以“Nonlinear ballistic response of quantum spin Hall edge states”为题，于 10月15日被《Physical Review Letters》接收。https://journals.aps.org/prl/accepted/d007aYd1Tdb19598b2b01e6581bc0cebd37d83e33