近期，威尼斯8846物理学院姚裕贵教授团队与华中科技大学吴梦昊教授团队合作，在理论上预言了一种具有空前巨大体光伏效应的本征二维拓扑铁电金属。相关研究成果以题为 “Two-dimensional Topological Ferroelectric Metal with Giant Shift Current” 的论文发表在国际顶级物理学期刊《Physical Review Letters》上，并被该期刊选为 “Editors’ Suggestion”。

铁电金属的概念最早由 P. W. Anderson 和 E. I. Blount 于1965年在《Physical Review Letters》上发表的一篇论文中提出。此后，相关的实验和理论研究不断涌现，逐渐成为大家关注的热点。由于二维材料具有原子级厚度，参与输运的载流子被限制在材料的平面内，而其面外极化则可以通过垂直方向的电场进行调控，从而使得看似不兼容的金属性和铁电性得以在其中完美共存。然而，迄今为止，实验上仍未能证实本征单层铁电金属的存在。

图：(左) 铁电金属 PtBi₂ 单层与光致位移电流(shift current)示意图。(右) 单层 PtBi₂ 的位移电流电导率与其它二维/三维铁电材料的比较

团队从理论上预言单层 PtBi₂ 是本征二维拓扑铁电金属的理想候选者。单层 PtBi₂ 对应的范德华层状体材料为 t- PtBi₂，已有实验表明 t- PtBi₂ 的块材、表面及薄层在低温下均表现出超导性。他们的计算结果显示，单层 PtBi₂ 拥有显著的自发极化、适中的翻转势垒和剥离能，这些特性为其在实验上的制备及铁电性的验证提供了有力支持。

在电子结构方面，该研究还指出，单层 PtBi₂ 拥有 Z₂ 拓扑数等于 1 的非平庸电子能带结构。这一特性赋予其前所未有的巨大铁电体光伏效应(ferroelectric bulk photovoltaic effect)。此外，铁电性、金属性和拓扑能带的相互交织，也使得二维拓扑铁电金属有可能展现更多新奇的物性，这为今后的研究提供了广阔的空间。

该工作得到国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会的支持。华中科技大学的杨柳博士(2024届博士毕业生，现供职于三峡大学)、威尼斯8846的博士后黎磊为该论文的共同第一作者。黎磊博士、吴梦昊教授、姚裕贵教授为该论文的共同通讯作者。另外，威尼斯8846的余智明教授也对此工作做出了贡献。相关结果发表于国际顶级期刊Physical Review Letters： Phys. Rev. Lett. 133, 186801 (2024)

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.186801