強磁場下金屬鉍一維納米結構中的新奇量子行為探索

《強磁場下金屬鉍一維納米結構中的新奇量子行為探索》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由寧偉擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：強磁場下金屬鉍一維納米結構中的新奇量子行為探索
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：寧偉
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

金屬鉍（Bi）一直是研究巨觀量子現象的理想材料，近年來在強磁場下（~31 T）在 Bi 單晶中發現了一系列新奇的量子現象，使這個材料再次引起了廣泛關注。相對於塊體單晶，金屬Bi低維體系（特別是一維納米體系）在強磁場下的量子行為研究還非常缺乏。本項目將利用強磁場中心的強磁場、極低溫條件，對Bi一維納米結構在強磁場下可能出現的各種新奇量子行為進行探索。項目將首先研究不同尺寸納米帶在強磁場下的量子振盪行為，並獲得Bi金屬表面態的有關信息；其次利用直徑10nm左右的超細納米線，探索強磁場下可能出現的Luttinger液體行為；同時利用強磁場中心的45T磁體，探索強磁場下單晶納米帶（線）中可能出現的其他的奇異量子現象等。相關的研究不僅能對Bi一維納米體系有更深入的了解，而且能夠為理解Bi塊體單晶中的各種量子行為提供重要線索，同時能夠對強磁場下的納米尺度量子體系量子輸運特性研究起到推動作用。

結題摘要

金屬鉍（Bi）是研究巨觀量子現象的理想材料，近年來在 Bi 單晶中發現了一系列新奇的量子現象，使這個材料再次引起了廣泛關注。相對於塊體單晶，納米尺度的金屬Bi在強磁場下的量子行為研究還非常缺乏。本項目主要利用強磁場、極低溫條件，對Bi納米帶和納米線在強磁場下可能出現的各種新奇量子行為進行探索。項目執行期間，首先研究了不同厚度Bi單晶納米帶在強磁場（~31 T）、極低溫（300mK）下的量子振盪行為。通過對單根納米帶期間在下的磁阻行為研究發現，在較薄的納米帶（~40 nm）中能觀察到具有明顯二維特徵的Shubnikov-de Haas（SdH）量子振盪行為，而在厚的納米帶中（~120 nm），只觀察到具有三維特徵的SdH量子振盪行為。這些結果表明，薄納米帶中的輸運行為由金屬表面態主導，而厚納米帶的輸運性質主要有內部的體電子來貢獻。研究同時表明納米帶的二維表面態在空氣中非常穩定的，並不因為表面的氧化過程而消失。這些實驗結果清晰表明該金屬表面態有可能是拓撲保護的，即Bi納米帶可能是由於量子尺寸效應而導致的新的拓撲絕緣體。本項目同時發現，在厚度100nm的納米帶中也存線上性磁電阻效應（linear magnetoresistance，LMR）效應，而且該LMR效應隨溫度表現出非線性效應，該非線性LMR與塊體Bi單晶是顯著不同的。研究同時發現室溫和磁場強度16 T 時，LMR達到200%而且沒有飽和跡象，在未來納米尺度的電子器件和感測器上有潛在套用價值。此外項目還研究了不同直徑的單晶鉍納米線，並發現了Bi納米線中表面超導電性，且表面超導體積隨直徑減小而增加。研究表明納米線中的超導電性與曲面應力誘導納米線表面態的電子結構調製有關。該研究成果對深入理解納米結構中拓撲絕緣體表面態的量子調控具有重要指導意義。本項目的研究結果不僅能對Bi一維納米體系有更深入的了解，而且能夠為理解Bi塊體單晶中的各種量子行為提供線索，同時能夠對強磁場下的低維物理研究起到良好的推動作用。