仅仅依靠任何材料都具有的自旋轨道耦合效应

 新闻资讯     |      2021-04-05 16:01

一、拓扑绝缘体简介
    凭据导电性质的差异,质料可分为“金属”和“绝缘体”两大类;而更进一步,按照电子态的拓扑性质的差异,“绝缘体”和“金属”还可以举办更细致的分别。拓扑绝缘体就是按照这样的新尺度而分另外区别于其他普通绝缘体的一类绝缘体。因而,拓扑绝缘体的体内与人们凡是认识的绝缘体一样,是绝缘的,可是在它的界线或外貌老是存在导电的边沿态,这是它有别于普通绝缘体的最奇特的性质。这样的导电边沿态是不变存在的,且差异自旋的导电电子的举动偏向是相反的,所以信息的通报可以通过电子的自旋,而不像传统质料通过电荷,不涉及耗散进程,通俗地说就是不会发烧,这一发明让人们对制造将来新型电脑芯片等元器件布满了但愿。

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图:金属、绝缘体和拓扑绝缘体的干系

最早发明的拓扑绝缘体状态,可以追溯到20多年前发明的量子霍尔效应。量子霍尔效应别离得到1985年和1998年两度Nobel物理学奖,开创了凝结态物理学的一个新纪元。但由于这种效应需要满意强磁场和低温这两个条件,倒霉于推广应用。直到2005年,人们才发明不需要强磁场和低温条件,仅仅依靠任何质料都具有的自旋轨道耦合效应,就可以实现雷同于量子霍尔效应中的电子态,即量子自旋霍尔效应态或拓扑绝缘体态。这立即引起了全球科学家界的重大存眷。摩尔定律认为,由于技能的进步,每过18个月,集成电路上可容纳的晶体管的数目会翻一番,机能也将提高一倍。跟着晶体管越小越麋集,发烧问题也就会越突出,因此很多人预言摩尔定律将于2015年失效。而拓扑绝缘体的发明将大概办理这个问题,从而激发将来电子技能的新一轮革命。2006年,美国斯坦福大学的科学家提出,在碲化汞量子阱体系中大概存在无需磁场而由本征质料能带布局发生的拓扑绝缘态,而这种非凡的拓扑绝缘体态将引起很是有趣的“量子自旋霍尔效应”,该效应入选科学评出的2007年十大科学打破并列第二位。

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图:拓扑绝缘体的成长

二、研究希望
    在拓扑绝缘体质料研究事情中,物理地址拓扑绝缘体的理论预言、质料制备、机理研究等各方面均做出打破性事情,取得系列成就,受到世界的存眷。物理所的系列研究成就多次颁发在过国际知名杂志上,并多次获得杂志的编辑推荐,成为封面文章,为拓扑绝缘质料的成长做出了开辟性的孝敬。

理论研究与预言

仅仅依靠任何质料都具有的自旋轨道耦合效应

图:通过第一性道理计较获得的拓扑绝缘体的非凡外貌态(上)及其电子自旋漫衍(下)。预言了一类新的强拓扑绝缘体质料系统(Bi2Se3, Bi2Te3 和Sb2Te3),这是最简朴的强拓扑绝缘体,便于理论模子研究,同时很是不变且容易合成,有大概会成为实现室温低能耗的自旋电子学器件。本事情于2009年颁发在著名科学杂志自然的子刊自然物理(Nature Physics)。

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图:half-Heusler化合物LaPtBi的晶体布局。在第一性道理措施中首次实现了拓扑稳定量Z2的普适计较,进而可以直接判定一个质料是否为拓扑绝缘体。这个计较要领合用于包罗空间反演破缺的体系,将成为寻找拓扑绝缘体新质料的强有力东西。操作这个有力东西,以LaPtBi原型,乐成预言了在half-Heusler三元化合物家属中存在着大量拓扑绝缘体质料。本事情颁发在2010年的Physical Review Letter上。别的还预测黄铜矿体系中存在着大量拓扑绝缘体质料。

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图:理论计较显示NaCoO2的外貌态具有与拓扑绝缘体外貌态雷同的电子自旋漫衍,与s波超导体一起可以在界面实现拓扑超导态,为实现拓扑量子计较打下质料基本。本事情于2011年以Rapid Communication形式颁发在Physical Review B杂志上,并被选为编辑推荐的文章。

拓扑绝缘体的制备与机理研究

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