《拓撲絕緣體薄膜與異質結製備及表面拓撲電子態研究》是依託清華大學，由薛其坤擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：拓撲絕緣體薄膜與異質結製備及表面拓撲電子態研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：薛其坤
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
拓撲絕緣體具有奇特的拓撲電子態，有望對電子學、自旋電子學和自容錯拓撲量子計算帶來革命性的推動。這一嶄新的拓撲量子系統自近年問世以來就一直受到物理學界的廣泛關注。本項目將研究在各種單晶襯底上高質量拓撲絕緣體（Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3和Bi2Se2Te）薄膜、摻雜拓撲絕緣體薄膜以及磁性或超導材料異質結的製備，利用極端條件掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜研究其電子結構，利用原位表面電導測量研究拓撲電子態的輸運性質，研究因磁性和超導態的導入而引發的新的量子現象。本項目將深化對拓撲量子態的物理本質以及與其它量子態相互作用的理解和認識，努力實現對拓撲絕緣體電子態和自旋結構的量子調控，找到幾種有效降低體載流子濃度和雜質缺陷的方法，爭取製備出載流子遷移率大於20000cm^2s/V的薄膜樣品，爭取觀察到拓撲絕緣體量子霍爾效應、量子反常霍爾效應、Majorana費米子和/或拓撲磁電效應。
結題摘要
拓撲絕緣體具有奇特的拓撲電子態，有望對電子學、自旋電子學和自容錯拓撲量子計算帶來革命性的推動。這一嶄新的拓撲量子系統自近年問世以來就一直受到物理學界的廣泛關注。 本項目中，我們利用分子束外延技術在各種單晶襯底上製備高質量拓撲絕緣體(Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3和Bi2Se2Te)薄膜、摻雜拓撲絕緣體薄膜以及磁性或超導材料（Bi2Te3/NbSe2, Bi2Se3/NbSe2）異質結，利用極端條件掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜研究其電子結構，結合輸運測試研究拓撲電子態的巨觀輸運性質，研究因磁性和超導態的導入而引發的新的量子現象，並已取得若干突破性進展，產生了一批具有國際影響力的重要成果。特別是實驗上實現了量子反常霍爾效應和探測Majorana費米子態，這兩項工作都是世界基礎物理研究領域的重要科學發現。 （1）我們生長了Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3薄膜並將其製備成輸運器件。在30mK極低溫下，我們觀測到此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特徵值h/e2 ～ 25800歐姆，從而首次在實驗上證實了量子反常霍爾效應的存在。這一研究成果，同1980年發現的量子霍爾效應和2007年發現的量子自旋霍爾效應一起，實現了完整的量子霍爾家族三重奏。此項發現為多種新奇量子效應的實現鋪平了道路，並可促進新一代低能耗電子器件的開發。目前，我們通過Cr-V共摻雜的方法改善了磁性拓撲絕緣體薄膜的磁學性質，已將量子反常霍爾效應實現溫度提高到300 mK。 （2）我們結合掃描隧道顯微鏡與角分辨光電子譜兩種實驗手段，證實了在外延於常規s波超導體NbSe2單晶上的Bi2Se3薄膜表面上，拓撲表面態與超導態共存。這一成果為探尋Majorana費米子提供了一個極具潛力的實驗平台，也為進一步掌握和調控拓撲絕緣體的拓撲電子態找到了重要的突破口。進一步，我們首次在外延於NbSe2單晶上的拓撲絕緣體Bi2Te3薄膜表面觀察到了量子磁通渦旋以及位於磁通渦旋中心的Andreev局域態，證實了Bi2Te3薄膜表面上觀測到的超導特性的確來源於其拓撲表面態。並且，我們利用自旋分辨掃描隧道顯微鏡觀測到Bi2Te3表面超導渦旋中心態的自旋選擇性隧穿現象，驗證了Majorana零能模的存在。這一工作提供了研究Majorana零能模的相關實驗探測方法，推進了其在量子計算方面的實驗研究。
