《拓撲晶態絕緣體的薄膜生長及能帶調控》是依託復旦大學，由修發賢擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：拓撲晶態絕緣體的薄膜生長及能帶調控
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：修發賢
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
拓撲晶態絕緣體是一種由晶格對稱性所引起的新型拓撲絕緣體。理論預測，拓撲晶態絕緣體在低對稱性的晶面上不存在拓撲態，而在高對稱性晶體表面具有導電的拓撲態，這與由時間反演對稱性保護的傳統拓撲態完全不同：其表面態的存在不依賴於自旋軌道耦合，而取決於晶體的對稱性。因此研究如何利用和控制晶體的對稱性成為拓撲晶態絕緣體的關鍵問題，而由此所帶來的能帶結構以及表面態的調控成為本領域的熱點和難點。本課題將首先運用分子束外延技術生長高質量的Pb1-xSnxTe(Se)單晶薄膜,通過連續變化Pb組分、控制薄膜厚度、改變晶向以及測試溫度，研究拓撲非平庸態到平庸態的相變過程以及在同一體系中實現三維拓撲態到二維拓撲態的轉變。並在此基礎上，結合理論，開展一系列表面態和邊緣態調控方面的工作，例如運用電場和磁場進行調控。本課題的成果將為實現令人激動的量子化反常霍爾效應和量子自旋霍爾效應提供一定的實驗基礎和經驗。
結題摘要
在最近幾年的拓撲絕緣體研究工作中，科學家們在理論預言、材料製備和機理研究等各方面做出了突破性工作，取得了卓越成果。而拓撲晶態絕緣體（TCI）是一個相對較新的概念，其存在不取決於自旋軌道耦合（時間反演保護），也不會因為磁性元素的摻雜而影響表面態。其材料特性是由新的參數Mirror Chern Number決定的，也就是晶體的對稱性。所以，從某種意義上來說， TCI是一個“顛覆性”的概念，它大大擴展了拓撲絕緣體的研究範圍。因此，對於TCI新型材料，其生長、性能測試以及調控方面都有很大的探索空間。項目負責人利用分子束外延技術生長了高質量Pb摻雜的拓撲晶態絕緣體薄膜材料，Pb1-xSnxSe和Pb1-xSnxTe。結合角分辨電子能譜儀(ARPES)、XRD和電輸運等手段探索了TCI晶向、厚度與表面能帶結構的關係，了解了隨著Pb摻雜和測試溫度由非平庸（non-trivial）到平庸態(trivial)的相變過程， 研究了在同一體系中三維拓撲態到二維拓撲態隨厚度的轉變以及其主要的影響參數（Critical Thickness）。並在此基礎上，開展一系列表面態、邊緣態調控方面的工作，包括運用電場和磁場調控。項目負責人同時擴展了材料體系，對拓撲半金屬的表面態進行了測量和調控。利用穩態強磁場在拓撲半金屬砷化鎘納米片中探測到由表面態費米弧和體態手性能級構成的一種新型電子迴旋軌道-外爾軌道，並首次發現其在強場下的三維量子霍爾效應。利用穩態強磁場在拓撲半金屬砷化鎘納米片中成功實現手性反常（chiral anomaly）的能谷非局域輸運，該結果為外爾半金屬中的手性反常現象在實驗上提供了首次可靠的定量測量，並給出了手性反常的一個重要參數，能谷散射特徵長度。在國際重要期刊Nature, Nature Communications上發表8篇論文（通訊作者）。在拓撲領域產生了一定的影響力，為拓撲新材料在信息學科中的進一步發展奠定了基礎。
