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拓扑绝缘体实验研究取得新进展

  拓扑绝缘子的实验研究取得了新的进展

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最近,由清华大学物理系薛启坤,陈曦,贾金凤等组成的研究小组在拓扑绝缘子实验研究方面取得了一系列突破。他们与中国科学院物理研究所物理学家/北京凝聚态物理实验室物理学家马旭村合作,利用分子束外延技术制作了硅,碳化硅,蓝宝石等单晶基片。平坦,高质量的三维拓扑绝缘体(Bi2Te3,Bi2Se3和Sb2Te3)薄膜(见图1所示的扫描隧道显微镜照片),照片尺寸为10nm×10nm。原位角分辨光电子能谱测量表明,这些薄膜具有固有的绝缘体特性。三维拓扑绝缘体中量子膜的实现为量子异常霍尔效应,巨大热电效应,激子团聚等新型量子现象的理论预测提供了理论基础,也是制备拓扑绝缘体材料的重要进展。利用这些高质量的薄膜材料,他们发现了拓扑绝缘子独有的背散射缺失现象。实验证明,拓扑量子态受到时间反演对称性的保护。这种特殊的“二维电子气”在磁场下的量子行为(图2中物理上称为“朗道量子化”)证明了它具有非质量狄拉克费米子的特性。这一系列成果已经发表在Nature Physics 6,584(2010),Physical Review Letters 103(266803(2009)),Physical Review Physical Review Letters 105,076801(2010)和Advance Material(2010) “量子朗道”(Physical Review Letters 105,076801(2010))出版,而美国物理学会的“物理学”部分发表了“观点”专栏文章,这一重要进展的专题介绍。该团队是拓扑绝缘子实验领域中少数几个领先的国际研究团体之一,在世界范围内具有影响力,在过去的两年中,与拓扑绝缘子相关的顶级国际会议,如2010年和2011年美国物理研究所年度会议,团队成员被邀请做或即将上报,在研究过程中,团队与王亚夫教授和清华大学物理系朱邦芬院士密切合作以及来自中国科学院,北京大学,香港大学和宾夕法尼亚大学的国际和国内专家。特别值得一提的是,他们也是田野理论的创始人(该领域的奠基人之一),拓扑绝缘子的创始人,张寿生教授,斯坦福大学教授,清华大学高级研究所教授,以及清华校友和斯坦福大学齐小良教授的理论实验联合研究小组。 9月1日,张寿生教授在量子自旋霍尔效应预测和实验观测领域做出的开创性贡献,与四位欧美科学家共同获得了2010年度欧洲物理学奖。他成为第一个获此殊荣的中国科学家。目前,联合研究小组正在努力在量子异常霍尔效应研究方面取得突破性的拓扑绝缘子,Majarona费米子等研究。拓扑绝缘子是近年来发现的一种新的物质形式。众所周知,常见的绝缘体材料(如陶瓷,玻璃等)不含自由载体,在室温下不导电。拓扑绝缘体是一种非常特殊的绝缘体。由于自旋 - 轨道相互作用(相对论效应),在这种绝缘体表面上总是存在无质量的狄拉克电子态,所以表面总是金属的,导电的。电子是一种导电的载体,除了被充电以外,它也具有类似自旋的性质,正如地球围绕太阳旋转并且地球本身旋转一样。在当前广泛使用的计算机芯片中,电子旋转状态是不确定的。随着电子从晶体管的一端流向另一端,就像经历一个混乱的迪斯科,不可避免地碰撞,加热,散热。在拓扑绝缘体中,电子自旋的方向与电流的方向有一定的关系。沿不同方向行进的电子与在高速公路上行驶的汽车相同,不会互相干扰,从而导致能量消耗非常低。拓扑绝缘体的独特性质使其在低功耗电子和容错量子计算等领域的应用具有潜在的价值,这可能对信息技术的未来产生革命性的影响。因此,拓扑绝缘体的发现迅速引起了物理学和材料科学领域的科学家的极大兴趣,是当前物理学前沿研究的一个方向。 (来源:清华大学)

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