《拓撲絕緣體及其相關混合結構中電子輸運性質研究》是依託河北師範大學，由宋俊濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：拓撲絕緣體及其相關混合結構中電子輸運性質研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：宋俊濤
- 依託單位：河北師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
自拓撲絕緣體在實驗室成功製備以來,拓撲絕緣體邊界態或表面態的電子輸運性質研究成為當今凝聚態物理中的研究熱點之一。結合該領域關於拓撲Anderson絕緣體，量子Andreev反射，量子反常霍爾效應和量子霍爾態邊界態相干性等課題的最新研究進展，本項目擬主要開展以下幾方面研究：（1）拓撲絕緣體/超導體系中Anderson無序導致的量子Andreev反射現象；（2）量子反常霍爾態/超導共存體系中Andreev反射現象和電子的輸運性質；（3）拓撲絕緣體或相關體系中表面態或邊界態的相干輸運特性。超導態，量子反常霍爾態，Andreev反射和電子相干特性都是當今凝聚態物理中的研究熱點，在拓撲絕緣體混合體系中研究這些新奇物質態和量子現象是非常有意義的課題，並且也都是當前研究的熱點和重點之一。這些課題的研究不但具有澄清物理概念、闡明物理圖像的認知意義，而且能夠為未來量子器件研製奠定前期的理論工作。
結題摘要
拓撲絕緣體是近年來物理研究的焦點和熱點之一。這類材料具有特殊屬性：體材料內部是絕緣的；表面存在無能隙的金屬態；電子自旋和動量方向是鎖定的，即螺旋性。拓撲絕緣體的拓撲性質是由其能帶的拓撲不變數Z2標征，其具有的特殊屬性同其拓撲性質緊密關聯。此外，由於無自旋的二維陳絕緣體通過對應的陳不變數Z來表征，一維手性對稱絕緣體通過拓撲繞數標征，它們也是廣義上的拓撲絕緣體。 當把拓撲絕緣體鄰近一個S波超導體，其拓撲保護的邊界態會打開超導能隙，表現為P波拓撲超導體。研究表明，此類材料中可能存在人們長期尋找的馬約拉納費米子。尋找、探測馬約拉納費米子及研究拓撲絕緣體-超導體混合體系輸運性質成為當前研究熱點之一。 我們的研究內容、主要成果及意義如下： （1）研究了躍遷無序對拓撲絕緣體的影響，結果表明同位能安德森無序會誘導拓撲安德森絕緣體相，而躍遷無序會破壞拓撲安德森相，而是否出現拓撲安德森絕緣體取決於同位能安德森無序和躍遷無序的強弱競爭；提出了拓撲絕緣體PN結器件，為實驗探測拓撲保護的邊界態提供可行途徑；研究了量子自旋霍爾效應的能斯特和塞貝克效應，為理解和利用拓撲絕緣體的熱電效應提供理論參考；研究了弱拓撲絕緣體的尺寸效應和磁性摻雜特性，為實現拓撲絕緣體材料中量子調控提供可行途徑和理論參考。 （2）研究了量子霍爾效應中平台-絕緣體相變過程中的臨界現象，確定了普適標度指數，提供了零溫極限下霍爾態的消失證據；研究了陳數為2的兩帶陳絕緣體的相變現象，證實了在無序作用下此類體系從n=2相變為n=0安德森絕緣體的特徵，為深入理解拓撲絕緣體相變提供重要的理論參考。 （3）和合作者一起發展了實空間拓撲繞數的計算方法，為研究一維和三維手性對稱的拓撲體系中的無序效應提供了可行途徑。利用此方法，研究了具有手性一維AIII、一維BDI、三維AIII等拓撲體系的無序特徵和相變現象，展示了此類相變過程中臨界現象，為理解此類體系及相變現象提供了理論和數據支撐。 （4）研究了超導體-拓撲絕緣體-超導體組成的約瑟夫森結的輸運特性，證實了鄰近效應誘導的邊界態超導特性，對實驗中其它難以理解的測量結果進行數值模擬，並提出合理的解釋。 （5）研究了拓撲外爾半金屬的無序效應，系統地研究了無序作用下外爾半金屬向拓撲絕緣體、絕緣體及安德森絕緣發生相變的條件，展示了這些物質相及相變相關的相圖，研究了無序雜質對外爾半金屬拓撲邊界態的影響。
