拓撲絕緣體的量子輸運性質研究

《拓撲絕緣體的量子輸運性質研究》是依託北京大學，由孫慶豐擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：拓撲絕緣體的量子輸運性質研究
• 依託單位：北京大學
• 項目負責人：孫慶豐
• 項目類別：面上項目

項目摘要

我們擬理論研究拓撲絕緣體的量子輸運性質。主要集中研究二維拓撲絕緣體，同時也部分涉及三維拓撲絕緣體。具體研究下面幾個課題：（1）提出一種既含有受拓撲保護邊態又有不受拓撲保護邊態的複合拓撲絕緣體，並研究它的獨特量子輸運現象；（2）研究由拓撲絕緣體組成的低維受限體系的電子和自旋輸運性質，並考慮電子-電子相互作用、電－聲子相互作用、外加磁場、和各種雜質等對量子輸運性質的影響；（3）研究二維拓撲絕緣體超導複合體系的Josephson效應和Andreev束縛態。通過這些研究，能深入地了解拓撲絕緣體的量子輸運性質，發現幾個與拓撲絕緣體有關的新奇輸運現象。該研究既有一定的創新性和基礎科學價值，也為製造量子電子器件提供理論依據。

結題摘要

在本基金的資助下，我們按計畫對拓撲絕緣體的量子輸運性質開展研究。四年來，研究進展相當順利，已很好地完成了本項目的研究任務，達到項目的預期目標。主要研究成果以論文的形式發表。在項目的四年資助期間，共發表SCI論文41篇，其中Phys. Rev. Lett. 4篇，Nature Commum. 1篇，PNAS 1篇，Phys. Rev. B 20篇。並且這些論文已有相當多的他人引用。一人於2013年獲得教育部長江特聘教授；一人於2015年獲得華人物理學會亞洲傑出成就獎；一人於2016年獲得科技部“中青年科技創新領軍人才”；畢業博士生3名，出站博士後1名。 主要研究成果有： 1、Weyl半金屬是一種三維拓撲材料。發現當一束Weyl費米子入射到由Weyl半金屬構成的PN結界面時，由於體系的拓撲特性，能同時發生GH移動和IF移動。GH移動與谷無關，IF移動正好與谷指標相反。利用IF移動特性，我們設計了谷極化器件；也提出通過測量IF移動，可以直接測量Berry曲率；等。 2、研究雜質和退相干共同存在時對三維拓撲絕緣體的量子輸運性質影響。發現儘管單獨非磁場雜質散射、單獨退相干、以及退相干和一階雜質散射過程相結合，都不會引起表面態背散射；但退相干和二階或更高階雜質散射相結合時，會引起表面態背散射。並發現退相干和長程庫侖雜質勢結合對小動量k的散射非常大，從而在表面態的能譜上打開能隙。這些結果統一地解說了前人的實驗結果（表面態通常不會打開能隙，但在很高雜質濃度時在體能隙關閉之前表面態可能會打開能隙）。 3、在超導-二維拓撲複合體系，首次發現局域Andreev反射完全被禁止，只有交叉Andreev反射發生。從而設計出一個分離效率達100%的Cooper對分離器。並且由於受拓撲保護，該Cooper對分離器具有不受體系各種參數、雜質的影響等優異性能。 4、研究磁場下三維拓撲絕緣體台階結構的表面態量子輸運性質，發現台階的上下表面柵電壓不同時，側表面只有一個單向的傳輸通道，並且這傳輸通道是自旋極化的。特別是通過調節柵電壓，可以任意的調控它的自旋極化方向。這提供一個無背散射的任意調控輸運電子的自旋極化方向的方法。 以上這些成果和發現，能加深人們對拓撲體系的獨特量子輸運現象的理解，能促進拓撲領域的發展，也為基於拓撲材料製造各種量子電子器件提供理論依據。