首先將三維拓?fù)渚w絕緣體的概念推廣到二維

2014-04-14 12:27 來(lái)源：http://www.elinglong.com/ 閱讀：次

　　清華消息網(wǎng)3月31日電清華大學(xué)物理系段文暉傳授課題組與美國(guó)麻省理工學(xué)院的傅亮教授、Jagadeesh Moodera教授等協(xié)作，聯(lián)合能帶構(gòu)造盤(pán)算低能有效實(shí)踐（k·p模型）跟拓?fù)淠軒饰龅妊芯糠绞剑谕負(fù)渚w絕緣體（topological crystalline insulator）薄膜研究中取得了打破性進(jìn)展。日前在《天然資料》(Nature Materials)上發(fā)表了題為Spin-filtered edge states with an electrically tunable gap in a two-dimensional topological crystalline insulator（二維拓?fù)渚w絕緣體中存在電場(chǎng)可調(diào)能隙且自旋過(guò)濾特征的拓?fù)溥呇貞B(tài)）的研究論文。清華大學(xué)物理系博士生劉軍偉為論文第一作者，美國(guó)麻省理工學(xué)院傅亮教學(xué)為論文通信作者。

供稿：物理系學(xué)生編纂：長(zhǎng)松

左圖為二維拓?fù)渚w絕緣體受鏡面對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的拓?fù)溥吘墤B(tài)。右圖為可以通過(guò)外加電場(chǎng)，翻開(kāi)邊緣態(tài)的能隙，從而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控的拓?fù)溥吘墤B(tài)，為實(shí)現(xiàn)拓?fù)渚w管供給了物理基本。

　　該研究工作得到了國(guó)度做作迷信基金和科技部973項(xiàng)目標(biāo)贊助。

　　段文暉教授研究組與美國(guó)麻省理工學(xué)院傅亮教授等合作，首先將三維拓?fù)渚w絕緣體的概念推廣到二維，提出了由鏡面對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的二維絕緣體的新型拓?fù)湎啵⒆C實(shí)這種新型的拓?fù)湎嗫梢栽赟nTe和Pbx Sn(1-x) Se(Te)（001）薄膜中實(shí)現(xiàn)。這種新型的拓?fù)洳牧希潴w能帶（bulk bands）擁有能隙,管理寶典，然而在邊緣上存在由（001）鏡面對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的具有自旋過(guò)濾(spin-filter)性質(zhì)的邊緣態(tài)(edge states)。更為重要的是，通過(guò)垂直于薄膜的電場(chǎng)，就可以損壞系統(tǒng)的鏡面對(duì)稱(chēng)性，從而在邊緣態(tài)上發(fā)生一個(gè)電場(chǎng)調(diào)控的能隙(electrically tunable gap)。應(yīng)用這種奇怪的特性，此研究提出了一種新型晶體管，稱(chēng)之為拓?fù)渚w管(topological transistor)。在這種晶體管中，電荷輸運(yùn)（charge transport）和自旋輸運(yùn)（spin transport）極大地糾纏在一起，并且可以被外加電場(chǎng)同時(shí)調(diào)控。因?yàn)橥負(fù)渚w管的工作原理與傳統(tǒng)晶體管的實(shí)現(xiàn)原理完全不同，其開(kāi)/關(guān)狀況并不須要實(shí)現(xiàn)n型電子和p型電子的復(fù)合，因此可以在拓?fù)渚w管中實(shí)現(xiàn)很高的開(kāi)關(guān)速度(on/off speed)，同時(shí)具備很小的能耗。

　　三維拓?fù)渚w絕緣體是完整不同于拓?fù)浣^緣體(topological insulator)的一種新型拓?fù)洳牧希渫負(fù)湫再|(zhì)受到晶格對(duì)稱(chēng)性(crystal symmetry)而非時(shí)光反演對(duì)稱(chēng)性(time-reversal symmetry)掩護(hù)。最近由理論猜測(cè)能夠在SnTe類(lèi)的四六族半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)由鏡面對(duì)稱(chēng)性(mirror symmetry)維護(hù)的拓?fù)渚w絕緣體，并很快得到了美國(guó)、日本、瑞典和中國(guó)等不同地域的獨(dú)破試驗(yàn)組的驗(yàn)證，進(jìn)而成為凝集態(tài)物理范疇一個(gè)很主要的研究的方向。

清華物理系與麻省理工配合在拓?fù)渚w絕緣體薄膜研討中獲得沖破性進(jìn)展

圖為拓?fù)渚w管的原理示用意。

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