《拓撲絕緣體的第一性原理研究》是依託北京理工大學，由姚裕貴擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：拓撲絕緣體的第一性原理研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：姚裕貴
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
拓撲絕緣體是一種新奇的量子物態，具有絕緣體和導體雙重特性，結合超導序和鐵磁序，拓撲絕緣體可能在量子計算機和自旋電子學等領域有著潛在的廣泛套用。本項目將利用第一性原理方法尋找新的拓撲絕緣體材料，研究在新的或已有的拓撲絕緣體材料中如何有效地引入鐵磁序或超導序，具體有：（1）研究如何在拓撲絕緣體材料中進行磁性原子摻雜形成稀磁拓撲絕緣體，即希望在拓撲絕緣體體材料內部保持拓撲序的同時引入鐵磁序；研究鐵磁序對拓撲現象的影響；指導實驗觀測無外磁場條件下的量子反常霍爾效應，為未來的自旋電子器件設計提供物理基礎。（2）研究兩種在拓撲絕緣體內引入超導序的方式：一是搜尋既有超導性又有拓撲性的材料，這樣很自然地在拓撲表面態中引入超導序；二是研究超導體和拓撲絕緣體的真實界面，這裡通過近鄰效應，在拓撲表面態中可能引入超導序。最終指導實驗發現Majorana準粒子，為在真實固體系統中實現拓撲量子計算提供理論上的準備。
結題摘要
拓撲絕緣體是一種新奇的量子物態，其體內絕緣，而邊緣導電。拓撲絕緣體的邊緣態因體系的拓撲性質而起，從而具有很高的抗無序及缺陷的能力，因此在低能耗電子器件中有著巨大的套用潛力。此外，在拓撲絕緣體中引入鐵磁序和超導序，將使得拓撲絕緣體在量子計算機和自旋電子學等領域有著廣闊的套用前景。本項目即圍繞著拓撲絕緣體中的鐵磁物性和超導電性等問題展開，主要的研究成果有：（1）系統地研究了磁性原子摻雜Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3的結構穩定性、磁性性質、摻雜難易情況和價態。結果顯示，富硒或富碲生長環境有利於磁性原子的引入，且V和Cr較Mn和Fe更容易形成摻雜。此外，我們還發現當摻雜濃度為4%時，含有Cr或Fe的Bi2Se3、Bi2Te3以及Cr摻雜的Sb2Te3仍然具有絕緣特性，但是V或Mn摻雜的Bi2Se3族三種材料及Fe摻雜後的Sb2Te3均呈現金屬性質。在實驗方面，我們與UCLA Kang L. Wang教授研究組合作，對Cr摻雜(BixSb1-x)Te3薄膜進行了一系列磁輸運測量。通過門電壓調控等手段，發現該體系中存在空穴誘導的RKKY耦合與不依賴於載流子的van Vleck磁性機制共存的現象，並找到了增強或抑制二者貢獻的有效方法。（2）對矽烯的生長、晶體結構及電子性質展開了系統的實驗和理論研究。結合第一性原理計算和掃描隧道顯微鏡實驗，我們發現在Ag(111)面上存在√3×√3超結構。隨後通過準粒子干涉儀，發現該矽烯電子結構中的Dirac錐及六角warping。通過緊束縛近似和第一性原理計算，我們給出了其理論解釋。此外，我們還理論上系統地研究了矽烯中的可能超導電性，包括傳統電聲子耦合引起的常規超導態和電子關聯誘導的非常規的拓撲超導態，如：雙層矽烯中存在的d波手性超導、摻雜雙層矽烯中的p+ip’超導以及摻雜單層矽烯中電場誘導的手征d+id’超導和三重態f-波超導等等。同時，在引入破缺時間反演對稱性的交換場以及外在的Rashba勢後，我們亦在矽烯中發現了一類全新的拓撲量子態—谷極化的量子反常霍爾效應。（3）尋找新型的能隙較大的低維量子自旋霍爾絕緣體材料。我們通過第一性原理計算，預言了單層Bi4Br4體系和二維蜂窩狀的Bi/Sb氫化物以及鹵化物家族具有很大的自旋軌道耦合能隙，從而能夠在室溫下實現量子自旋霍爾效應。此外我們還研究了此兩類材料中的拓撲物性或超導電性。
