拓撲絕緣體表面態有限尺寸效應研究

《拓撲絕緣體表面態有限尺寸效應研究》是依託杭州電子科技大學，由李源擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：拓撲絕緣體表面態有限尺寸效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李源
• 依託單位：杭州電子科技大學

項目摘要

三維拓撲絕緣體具有類似於絕緣體的能隙但存在無能隙的表面態，這種新奇量子物態及其性質近年來受到廣泛關注。本項目擬在能帶理論框架內研究拓撲絕緣體表面態的有限尺寸效應，即拓撲絕緣體薄膜厚度、寬度及外磁場對薄膜上下表面、側表面能帶結構、輸運性質的影響。具體研究內容包括：拓撲絕緣體一維波導表面態能隙、電導與波導寬度、外磁場強度之間的定量關係；拓撲絕緣體薄膜厚度、寬度對薄膜上下表面、側表面能帶結構、輸運性質的影響，以及該薄膜在外磁場下的能帶結構及輸運特性；圓柱形納米線表面態能隙與納米線半徑和長度間的定量關係，建立納米線表面態低能有效哈密頓量模型，區分其與長方體狀薄膜表面態性質的異同點。探索拓撲絕緣體表面態的有限尺寸效應，將展現一些與常規半導體異質結二維電子氣不同的新量子現象和效應，並可能為從原理上設計一些功能可調的新型自旋電子學器件提供物理基礎。

結題摘要

拓撲絕緣體具有較大的自旋軌道耦合，可誘導顯著的量子自旋霍爾效應，有望用來製備可實際套用的自旋電子學器件，從而激發了物理學家極大的研究熱情。本課題研究了二維拓撲絕緣體邊緣態的輸運性質，發現邊緣態間自旋反轉耦合作用可顯著調節體系電流，使其增大或減小，可利用門電壓改變邊緣態間的耦合相互作用，實現有效調控器件輸運性質的目的。研究了拓撲絕緣體波導在外磁場作用下的能帶結構和磁阻效應，發現磁場可以減小橫向有限尺寸誘導的能隙，甚至使表面態能隙閉合；體系磁阻隨磁場增加呈線性增長，且具有高場不飽和特性，上述室溫下磁阻的穩定性可用來設計磁電器件。分析了拓撲絕緣體表面態在含時電場作用下的手征性輸運問題，發現電極間不存在偏壓時，垂直入射的電子能完全透射通過含時電場區，保持了Klein隧穿的輸運特性。而當電極間存在偏壓時，垂直入射電子的透射率顯著減小，含時場對大角度入射電子的調控作用明顯。拓展研究了石墨烯p-n結，p-n-p結在外磁場作用下的Klein隧穿效應，發現磁場會破壞完美的Klein隧穿，並使角分辨透射率曲線向特定方向偏移。我們解析求得透射率的對稱角，並分析了Fabry-Pérot干涉現象，給出了有效調節體系電導的電勢和磁場參數，可為器件的製備提供理論指導。