通过晶格工程控制 Sn 的结构相

拓扑结构和超导性这两种截然不同的现象为探索量子性质及其在量子技术、自旋器件和可持续能源技术中的应用提供了独特的视角。如果能够找到系统使这两种现象共存，将具有巨大的应用前景。tin (Sn) 在此发挥着关键作用，因为它具有两种结构相，$\alpha$-Sn 和 $\beta$-Sn，分别表现出拓扑特征 ($\alpha$-Sn) 和超导性 ($\beta$-Sn)。本研究表明，通过对生长于分子束层析法中缓冲层的系统性晶格参数控制，可以实现对 Sn 薄膜中 $\alpha$ 和 $\beta$ 相的精确控制。结果表明，随着缓冲层晶格常数的变化从 6.10 Å 调整至 6.48 Å（覆盖从 GaSb（接近匹配 InAs）到 InSb 的范围），Sn 薄膜呈现出 $\beta$-Sn 或 $\alpha$-Sn 相。通过 X 射线衍射、拉曼光谱和扫描电子显微镜确认了 $\alpha$- 和 $\beta$-Sn 薄膜的晶体结构。通过原子力显微镜验证了 Sn 薄膜的光滑连续表面形貌。通过电性传输测量进一步确认了 $\alpha$- 和 $\beta$-Sn 相的特征：观察到 $\beta$-Sn 相在 3.7 K 附近的电阻下降表现为超导性，而 $\alpha$-Sn 相则表现为 Shubnikov-de Haas 振荡。密度泛函理论计算显示，Sn 相的稳定性高度依赖于晶格应变，$\alpha$-Sn 在拉伸应变下更稳定，而 $\beta$-Sn 在压缩应变下更为有利，这与实验观察结果良好一致。因此，本研究为通过晶格工程控制 Sn 相提供了方法，为量子技术及其应用开启了新视野。