《應力對二維拓撲絕緣體輸運性質的影響》是劉根華為項目負責人，中南林業科技大學為依託單位的專項基金項目。
基本介紹
- 中文名：應力對二維拓撲絕緣體輸運性質的影響
- 項目類別：專項基金項目
- 項目負責人：劉根華
- 依託單位：中南林業科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
拓撲絕緣體是一類由自旋軌道耦合效應導致的新奇量子物質態,具有類似於絕緣體的能隙但存在無能隙的表面(邊緣)態，能帶具有線性色散和手性特徵，其動量取向和自旋取向鎖定，近年來引發了廣泛的研究興趣。本項目將研究HgTe/CdTe量子阱等二維拓撲絕緣體在應力作用下的電子結構、拓撲相變和量子輸運及其相互關聯等問題。具體研究內容包括：應力對無能隙邊緣態電子結構的影響，普通半導體與拓撲絕緣體之間相互轉換(拓撲相變)的應力調控；同時研究該體系自旋軌道耦合和邊緣態的自旋劈裂與單軸應力、電場和量子限制之間的內在聯繫；並闡明應變對二維拓撲絕緣體量子輸運的影響。相關的研究可能展現並解釋一些與常規半導體異質結二維電子氣體系不同的新的量子效應和現象，並可能為從原理上設計一些功能可調的新型自旋電子器件提供物理基礎。
結題摘要
拓撲絕緣體是一類由自旋軌道耦合效應導致的新奇量子物質態,具有類似於絕緣體的能隙但存在無能隙的表面(邊緣)態，能帶具有線性色散和手性特徵，其動量取向和自旋取向鎖定，近年來引發了廣泛的研究興趣。在該項目中，我們主要研究了應力和電場對HgTe薄膜、HgTe/CdTe量子阱Hall Bar的電子結構、態密度分布、拓撲相變及輸運性質。HgTe薄膜的厚度達到臨界厚度2 nm時倒置的能帶將反轉，出現Dirac的邊緣態，我們發現在應變的作用下，產生拓撲相變的臨界厚度可變為10 nm，同時我們研究了 HgTe/CdTe量子阱Hall Bar在電場調控下的性質。由於受到Hall Bar兩側邊緣態的耦合作用， Dirac的邊緣態打開一個帶隙，它隨Hall Bar的寬度變窄而逐漸變大，並且邊緣態將逐漸失去自旋與軌道鎖定和自旋分辨的特性，我們發現在橫向電場能引起拓撲相變並控制邊緣態的性質。特別是邊緣態的手性能被電場調控，帶隙能夠被電場移除，並恢復量子自旋霍爾效應。同時我們研究了該體系的電子輸運性質，發現通過調節電場能夠打開和關上該體系的自旋相關的輸運。此外我們還比較了電場對HgTe/CdTe量子阱Hall Bar和Bi2Se3薄膜的調控，我們發現，電場都能使它們發生拓撲相變，但隨電場的增大，Bi2Se3薄膜能發生多次拓撲相變，而HgTe/CdTe量子阱Hall Bar只發生一次。其次我們研究了由Bi2Se3薄膜構成的平面結的輸運性質，發現自旋向下的電子在結中發生全反射，全反射角的大小可有電場調控，而自旋向上的電子則能完全透射。這些為新型低耗高速的自旋電子器件設計提供了理論基礎。
