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近期，北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊與華中科技大學吳夢昊教授團隊合作，在理論上預言了一種具有空前巨大體光伏效應的本征二維拓撲鐵電金屬。相關研究成果以題為 “Two-dimensional Topological Ferroelectric Metal with Giant Shift Current” 的論文發表在國際頂級物理學期刊《Physical Review Letters》上，并被該期刊選為 “Editors’ Suggestion”。

鐵電金屬的概念最早由 P. W. Anderson 和 E. I. Blount 于1965年在《Physical Review Letters》上發表的一篇論文中提出。此后，相關的實驗和理論研究不斷涌現，逐漸成為大家關注的熱點。由于二維材料具有原子級厚度，參與輸運的載流子被限制在材料的平面內，而其面外極化則可以通過垂直方向的電場進行調控，從而使得看似不兼容的金屬性和鐵電性得以在其中完美共存。然而，迄今為止，實驗上仍未能證實本征單層鐵電金屬的存在。

圖：(左) 鐵電金屬 PtBi₂ 單層與光致位移電流(shift current)示意圖。(右) 單層 PtBi₂ 的位移電流電導率與其它二維/三維鐵電材料的比較

團隊從理論上預言單層 PtBi₂ 是本征二維拓撲鐵電金屬的理想候選者。單層 PtBi₂ 對應的范德華層狀體材料為 t- PtBi₂，已有實驗表明 t- PtBi₂ 的塊材、表面及薄層在低溫下均表現出超導性。他們的計算結果顯示，單層 PtBi₂ 擁有顯著的自發極化、適中的翻轉勢壘和剝離能，這些特性為其在實驗上的制備及鐵電性的驗證提供了有力支持。

在電子結構方面，該研究還指出，單層 PtBi₂ 擁有 Z₂ 拓撲數等于 1 的非平庸電子能帶結構。這一特性賦予其前所未有的巨大鐵電體光伏效應(ferroelectric bulk photovoltaic effect)。此外，鐵電性、金屬性和拓撲能帶的相互交織，也使得二維拓撲鐵電金屬有可能展現更多新奇的物性，這為今后的研究提供了廣闊的空間。

該工作得到國家自然科學基金委、中國博士后科學基金會的支持。華中科技大學的楊柳博士(2024屆博士畢業生，現供職于三峽大學)、北京理工大學的博士后黎磊為該論文的共同第一作者。黎磊博士、吳夢昊教授、姚裕貴教授為該論文的共同通訊作者。另外，北京理工大學的余智明教授也對此工作做出了貢獻。相關結果發表于國際頂級期刊Physical Review Letters： Phys. Rev. Lett. 133, 186801 (2024)

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.186801