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—— 第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼 ——


拓扑绝缘体研究取得重要进展

  在国家自然科学基金创新研究群体科学基金和“单量子态的探测及相互作用”重大研究计划培育项目的资助下,中国科学院物理研究所方忠研究员领导的课题组针对拓扑绝缘体及自旋-轨道相关量子现象,开展了系统的计算与理论研究,计算预言了新型室温下的拓扑绝缘体材料,并与国内相关的多个实验组合作,制备出了高质量的拓扑绝缘体样品,且通过多种实验验证了其拓扑物理性质。拓扑绝缘体是一种新的量子物质态,人类对其认识才刚刚开始。通过对这种新量子态的研究,一方面可以极大地推动基础理论的进步,发展新概念,发现新现象、新效应;另一方面,通过对该物态的实现与操纵,将极有可能导致未来半导体与电子技术的重大革新,推动我国电子学技术的跨越式发展。

  在国家自然科学基金的支持下,中国科学家们很早就介入到拓扑绝缘体的研究中,与几个国际著名研究小组一起并肩站在该领域的国际前沿,并在很大程度上引领了世界进展,这样的情况在建国60年来并不多见。2009年方忠研究组在拓扑绝缘体的研究上取得重要突破,预言了三维强拓扑绝缘体的真实材料Bi2Se3,Bi2Te3,Sb2Te3系统,并被后续的实验所证实。这是人类首次发现可在室温下存在的三维强拓扑绝缘体。随后,中国科学院物理研究所吴克辉研究组和清华大学薛其坤研究组又分别从实验上制备出了该系列材料的高质量薄膜样品。清华大学薛其坤研究组与中国科学院物理研究所马旭村研究组合作,利用STM观测到了该拓扑绝缘体表面态的螺旋状自旋结构; 利用ARPES观测到该拓扑绝缘体的三维电子态到二维电子态的演化; 利用STM看到了表面态的朗道能级及量子震荡行为。中国科学院物理研究所吕力研究组成功实现拓扑绝缘体的门电压调控,并利用磁阻测量观察到了明显的反弱局域化行为。除此以外,方忠研究组还在探索未知类型的拓扑有序态方面取得了重要进展。最近他们从理论上预言了一类新的没有时间反演对称性的拓扑绝缘体—磁性拓扑绝缘体,可以在没有外磁场的情况下实现量子霍尔效应。通过实现这种反常的量子霍尔效应,其边缘态可被看成是一根“理想导线”,不存在由于杂质势而导致的背散射,电阻极低,能耗极小,这将极大地克服Moore定律的极限。

 

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