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拓扑绝缘体的研究

最近几年,凝聚态理论研究的突破使得人们认识到一种新的量子有序态,即以拓扑绝缘体为代表的拓扑有序态。拓扑序的发现使人们在理论上可以对所有的材料重新划分类型,这是对材料认识的一个根本性突破。而在应用上,拓扑绝缘体的发现开辟了自旋、超导和拓扑相结合的一个激动人心的新领域。拓扑绝缘体独特的边界态或表面态受时间反演对称性的保护,其中的载流子不会被非磁性杂质散射,可以用作完美的自旋/电荷输运介质。同时在多场调控下会表现出丰富、奇特的量子响应。譬如,拓扑绝缘体表面态与s波超导体耦合会产生新的拓扑超导态,在其边界或涡旋核心存在受拓扑保护的满足非阿贝尔统计的Majorana费米子态,是理想的进行拓扑量子计算的量子态;与磁场耦合会诱导出量子化反常霍尔效应;与电场耦合会产生镜像磁单极子效应和巨大磁电耦合效应等。


材料是物性研究、器件探索等所有工作的基础,尤其是拓扑绝缘体的主要特征都集中在其表面和界面上,因此只有获得高质量的薄膜样品,才有可能开展后续的实验研究。我们在拓扑绝缘体的材料制备、输运性质的研究及其调控方面开展了开创性的研究工作:首先采用MBE方法进行拓扑绝缘体薄膜的生长,并获得三维拓扑绝缘体单晶薄膜(Appl. Phys. Lett. 95, 053114 (2009),论文已引用超过100次);首先采用在高介电常数的钛酸锶(STO)衬底上生长拓扑绝缘体薄膜的方法(Adv. Fun. Mater.2011,论文引用30次);在此基础上开展了利用电场调控拓扑绝缘体输运性质的研究, 相关论文(Phys. Rev. Lett. 105,176602(2010))是国际上这方面的第一篇论文,迄今已被引用超过160次,该论文通过拟合α因子判断拓扑绝缘体输运特性的方法已被广泛采用。这些开创性工作为拓扑绝缘体领域的许多重要后续工作奠定了基础,例如,最近由清华大学薛其坤院士领导的研究组在实验上证实了拓扑绝缘体的量子化反常霍尔效应,其正是用MBE在钛酸锶衬底上生长出拓扑绝缘体薄膜,并利用背栅电场调控其输运性质,从而观测到这个极其重要的效应。由于在拓扑绝缘体方面的贡献,吴克辉研究员作为三名“突出贡献者”之一,获得中国科学院2011年“杰出科技成就奖”。

典型成果、创新点和科学意义介绍如下:

(a). 开创了拓扑绝缘体薄膜的MBE生长的研究:早期,关于三维拓扑绝缘体的实验探索主要聚集在单晶上,然而对于器件的应用,需要有高质量的薄膜。我们在国际上开创了使用分子束外延手段进行拓扑绝缘体薄膜生长的方法,获得了高质量的单晶拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜,并发现拓扑绝缘体薄膜生长中的一个特有的以“五层”为单位的生长模式。 论文发表在Appl. Phys. Lett. 95, 053114 (2009)上,已被SCI引用超过100次。在Kane 和Hasan等人关于拓扑绝缘体的权威综述文章(Rev. Mod. Phys. 82, 3045(2010) )上,该工作亦被认为是MBE生长拓扑绝缘体的先驱性工作(“A particularly promising new direction is the growth of epitaxial ?lms of Bi2Se3”)。

图2:(a)使用分子束外延手段最先在Si衬底上获得的Bi2Se3单晶薄膜及其原子分辨图。(b)高度曲线表明所有的台阶的高度都是5个原子层,由此揭示Bi2Se3 特有的五原子层生长模式,这和 Bi2Se3晶体的层状结构以五原子层为原胞单位是对应的,见(c). 【Appl. Phys. Lett. 95, 053114 (2009)】

(b). 开创了利用高介电常数的钛酸锶衬底生长拓扑绝缘体薄膜的方法:理论预言的一些新奇量子效应,如量子化的反常霍尔效应,Majorana费米子等,都需要苛刻的条件,尤其是其材料的费米能级需要精确地调控到Dirac点,误差要在μeV量级,因此对器件的费米能级进行电场调控是实现这些量子效应的必要条件。但和石墨烯相比,拓扑绝缘体的本征载流子浓度要高一个数量级(石墨烯1012cm-2到拓扑绝缘体1013cm-2),这使得在拓扑绝缘体中利用电场实现调控要难得多。早期,人们都是通过和石墨烯类似的方法,利用氧化硅为介电层来调节,其调节能力非常微弱。为了探索提高拓扑绝缘体晶体薄膜的质量和栅电压的调节能力,我们发明了以钛酸锶这种高介电常数的材料为衬底生长拓扑绝缘体的方法,并利用钛酸锶的高介电常数实现了1013cm-2量级的载流子浓度调节,实现了薄膜的载流子特性从n型到p型的转变。这对于输运和器件的研究是迈出了关键的一步。论文发表在Phys. Rev. Lett. 105, 176602(2010) ,Adv. Funct. Mater. 21, 2351 (2011)上。合计引用超过200次。

(c). 拓扑绝缘体的输运性质的开创研究: 绝大多数的拓扑绝缘体的奇异物性和器件应用都是基于其输运性质,此前,由于多数实验采用的样品是解理后的拓扑绝缘体单晶,其大小、均匀性、厚度都得不到保证,因此研究受到很大制约。我们利用在STO衬底上MBE生长的大面积均匀Bi2Se3薄膜,与物理所李永庆小组合作,率先开展拓扑绝缘体Bi2Se3输运性质的研究。首先报道了拓扑绝缘体中受时间反演对称性的保护而产生的反弱局域效应。同时,建立了通过拟合α因子来判断拓扑绝缘体输运通道在电场作用下分离的方法,该方法已被广泛采用, 成为目前三种标准判据之一。该研究成果发表在Phys. Rev. Lett. 105, 176602(2010)上,论文在过去三年多时间已被SCI引用168次。

 

 

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