来自 科技前沿 2019-09-23 15:32 的文章
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皇冠官网地址:物理研究所等开掘拓扑绝缘体电

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室纳米物理与器件重点实验室的李永庆研究组、清华大学物理系/低维物理国家重点实验室薛其坤-何珂研究组和中科院物理所表面物理国家重点实验室的吴克辉研究组通过合作,利用他们在拓扑绝缘体薄膜生长、器件制备、栅压调控和输运测量方面的多年实验积累,在超薄拓扑绝缘体薄膜中成功地观察到电子输运从反弱局域情况下的扩散型转变为强局域情况下的变程跃迁型。他们还发现,随着样品电阻率的提高,反弱局域导致的负磁电导逐渐被抑制,并在强局域情形下转变为正磁电导。这些结果揭示出无序在拓扑绝缘体输运性质中所起的至关重要的作用,并可为进一步研究超薄膜中的拓扑量子相变提供有价值的参考。

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近年来被发现的三维拓扑绝缘体为研究电子局域化提供了一个有价值的新体系。三维拓扑绝缘体内部绝缘,但表面态是一个独特的二维电子系统,具有线性色散和自旋-动量锁定等特征。与传统的拓扑平庸的二维电子系统不同,理论预言三维拓扑绝缘体的表面态电子不会被局域化,在电子输运上表现为反弱局域行为。但有趣的是,当三维拓扑绝缘体薄膜的厚度很小时,上下表面由于波函数杂化在狄拉克点附近打开一个能隙,理论预言这会导致从三维拓扑绝缘体到二维拓扑绝缘体或拓扑平庸绝缘体的转变,在电子输运上可能产生量子自旋霍尔效应、反弱局域-弱局域转变和金属-绝缘体转变等丰富的物理现象。但迄今为止,上述预言还缺乏明确的实验支持。

图2: 拓扑绝缘体电子退相干速率随温度的变化关系及微观机制。上图显示:当费米能级处于体价带之中时,退相干速率随温度线性变化;当费米能级调至体带隙之中时,退相干速率则呈现出亚线性的温度依赖关系;温度范围约为0.1~10 K。下图展示在体态较绝缘的拓扑绝缘体中电势涨落导致的电子和空穴液团以及电子在这些电荷液团之间的变程跃迁以及在表面态与这些局域体态之间的散射过程。

三维拓扑绝缘体(以下简称拓扑绝缘体)是在2008年才被实验确认的一类重要的拓扑量子材料。因其体能带的拓扑性质,拓扑绝缘体的表面上存在着受对称性保护的无能隙电子态。表面态电子构成了一个螺旋性二维狄拉克电子系统,其自旋和动量方向保持锁定关系。这种独特的电子结构导致拓扑绝缘体表面态具有许多有趣的量子输运性质,并引起了世界范围的广泛研究兴趣。尽管已有大量实验研究,但由于样品质量和测量等多种原因,不同实验小组在退相干方面的实验结果不尽相同,这导致人们还不能对拓扑绝缘体表面态电子的退相干机制形成定论。

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固态系统的量子输运性质与电子的波动性密切相关。在低温下,电子波能在很长距离上保持相干性,波的干涉带来了丰富多彩的介观物理效应,如Aharonov-Bohm效应、Altshuler-Aronov-Spivak效应、普适电导涨落和弱局域化效应等。研究材料中的电子的退相干机制不仅有助于深入理解量子输运性质,而且对利用波的干涉性质探索新奇准粒子和进一步进行量子信息处理也至关重要。

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