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物理所拓扑绝缘体研究取得重要进展

发布时间:2017-12-03 阅读:

  物理拓扑绝缘子取得重要进展

  物理研究所物理学图片:111.gif图片:2222.gif \\ u0026 nbsp;近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理实验室张海军博士,黛西研究员,方中研究员在拓扑绝缘子研究方面取得重要突破,对仅有的一系列新型拓扑绝缘子材料进行了理论预测提出一个室温下的狄拉克点。这项工作发表在英国杂志Nature Physics 5(438-442(2009))。根据不同的电子结构,传统材料分为“金属”和“绝缘子”两类。拓扑绝缘体是一种与传统意义上的“金属”和“绝缘体”完全不同的新型量子材料状态。材料状态的物理状态是一个能够形成间隙的绝缘体,其表面是无间隙的金属状态。由于一般意义上的表面不饱和键或表面重构,该无间隙表面金属状态也完全不同于表面状态。拓扑绝缘体的表面金属态完全由材料本体电子态的拓扑结构决定,由对称性决定,表面的具体结构无关。也正是因为金属表面的外观由对称性决定,其存在非常稳定,基本不受杂质和紊乱的影响。另外,拓扑绝缘体的基本性质是量子力学与相对论相互作用的结果。由于自旋轨道耦合耦合,一个无间隙的自我屏蔽旋转解决表面电子状态。该表面状态导致无效质量的二维电子气(完全不同于有效质量近似的二维电子气:例如广泛使用的场效应晶体管中的二维电子气),其需要Dirac方程描述,而不是薛定谔方程。正是由于这些有吸引力和重要的特性,才能保证拓扑绝缘体在未来电子技术的发展中具有潜在的应用前景,具有很大的应用潜力。寻找具有足够大的物理能隙和化学稳定性的强拓扑绝缘体材料已经成为人们关注的重点和难点。与美国斯坦福大学研究小组张树生教授的深入合作预测,物理学家将会预测到一种新型的强拓扑绝缘体材料体系(Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3)。他们在理论和计算上系统地探索了这种材料成为强拓扑绝缘体的物理机制。给出描述狄拉克点的KP哈密尔顿量,并计算APRES样电子光谱。这些拓扑绝缘材料具有独特的优势:首先,它们是纯化学相,非常稳定且易于合成。其次,在这些材料表面状态下只存在一个狄拉克点是最简单的拓扑绝缘体类型。这种简单性为理论模型的研究提供了一个很好的平台。第三,材料的物理能隙非常大,特别是大约0.3电子伏(相当于3600K)的Bi2Se3,远远超出室温能级,这也意味着这是可能的实现室温下能耗较低的自旋电子器件,同时在理论预测发表的同时,相关的实验工作也取得了重要进展,证实了理论预测的正确性,首先是普林斯顿大学的MZ Hasan教授和RJ Cava教授在美国观察到Bi2Se3中存在表面态Dirac点[Nature Physics,5,398(2009)];其次,方中等人还与斯坦福大学的ZX Shen教授合作,使用ARPES的Bi2Se3材料中的Dirac点[Science(2009,Received)]。上述工作得到了中国科学院,国家自然科学基金,国家重点基础研究发展计划和国际科技合作计划。

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