拓扑绝缘体

SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G73、拓扑绝缘体3.1、绝缘体、导体和拓扑的概念3.2、整数量子霍尔效应和自旋量子霍尔效应3.3、拓扑绝缘体实例3.4、拓扑绝缘体的应用SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G73.1、绝缘体、导体和拓扑的概念绝缘体：不善于传导电流的物质。导体：电阻率很小易于传导电流的物质。SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7拓扑是研究几何物体在连续的形变中保持不变的量，它的特点是对于细节和连续变化不敏感。SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7整数量子霍尔效应是在1980年，KlausvonKlitzing在研究半导体异质界面处的二维导电层在低温、强磁场环境下的输运性质时发现,其霍尔电阻在强磁场下偏离与磁场的线性关系,呈现出阶梯形状的现象。且每个阶梯平台所对应的电阻值精确满足,其中ћ为普朗克常数,e为电子电量,v为一个整数。2/ve图片引自：KlitzingKV,DordaG,PepperM.Phys.Rev.Lett.1980,45:494-497;3.2、整数量子霍尔效应和自旋量子霍尔效应SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7自旋量子霍尔效应是在不加外部磁场的情况下，材料依靠自身的自旋轨道耦合，强自旋轨道耦合将导致能带反转。能带翻转后，材料能隙中将会产生一对边缘态，两支边缘态具有相反的自旋并且交于一点的现象。它同量子霍尔效应最大的区别在于引入了强的自旋轨道耦合来代替了外加的强磁场。SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7拓扑绝缘体是指在强的自旋轨道耦合的作用下，其体能态表现为绝缘体性，表面则是金属性的一种物质。3.3、拓扑绝缘体实例SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7德国的Molenkamp研究组通过MBE的生长办法制备出了不同厚度的GdTe/HgTe/GdTe超晶格，他们取中间层的厚度为d。并且他们在零场的情况下，测出中间层HgTe存在一个临界宽度dc。当ddc时，样品几乎处于绝缘态，表现为半导体。当ddc时，样品具有了两倍量子电导，时间反演不变的自旋霍耳系统的边缘态存在两个通道，因此中间层能带反转材料HgTe起主要作用。此时的样品只有边缘态参与了导电。/22eSchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7图片引自：KÄonigM,WiedmannS,BruneCetal.Science2007,318:766-770;SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7对应于GdTe/HgTe/GdTe超晶格的难于制备和热稳定性差，含毒性元素，不利于大规模生产和应用等缺点。在2008年,张首晟研究组预言了一种基于传统III-V族半导体的二维拓扑绝缘体材料AlSb/InAs/GaSb/AlSb。之后理论物理学家又预言了具有接近二维蜂窝结构的Bi、Si、Ge、Sn等元素的单层或几层薄膜是二维拓扑绝缘体。SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7三维拓扑绝缘体的体态是绝缘性的，边界上存在着与一维边缘态所对应的二维表面态。它的特点为在其表面态的布里渊区中存在4个时间反演对称的点，这些特殊的点上会出现Kramers简并，形成狄拉克锥结构。SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7三维拓扑绝缘体的简单判别方法是通过角分辨光电子能谱确定布里渊区两个时间反演不变点间表面态穿越费米能级的次数确定:奇数次为拓扑绝缘体,偶数次为普通绝缘体。Fu和Kane在2007年预言Bi1-xSbx合金材料，当x处于0.07和0.22之间时变成三维拓扑绝缘体。Z.Hasan研究组发现当Bi1-xSbx样品x处于0.07和0.22之间时，样品两个时间反演不变点之间表面态穿过费米能级的次数为5次,从而从实验上证实了三维拓扑绝缘体。SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7但是由于Bi1-xSbx具有许多不好的性质，之后张首晟、方忠和戴希、Hasan等人又找到了更好的一类三维拓扑绝缘体材料，这就是Bi2Se3家族拓扑绝缘体，即Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3。图片引自：ZhangHJ,LiuCX,QiXLetal.Nat.Phys.2009,5:438-442;SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G73.4、拓扑绝缘体的应用低能耗和高速晶体管自旋电子学器件拓扑量子计算基于拓扑磁电效应的磁存储器件量子反常霍尔效应寻找Majorana费米子SchoolofNuclearScienceandTechnology,LanzhouUniversity《高等量子力学》课堂报告--G7参考文献[1]蓝元培.拓扑绝缘体中的拓扑量子化研究[D].中国科学技术大学,2012.[2]何珂,薛其坤.拓扑量子材料与量子反常霍尔效应[J].材料研究学报,2015,(03):161-177.[3]程鹏.拓扑绝缘体表面态的STM研究[D].清华大学,2010.