清華物理系與麻省理工合作在拓?fù)渚w絕緣體薄膜研究中取得突破性進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)3月31日電 清華大學(xué)物理系段文暉教授課題組與美國(guó)麻省理工學(xué)院的傅亮教授、Jagadeesh Moodera教授等合作，結(jié)合能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算低能有效理論（k·p模型）和拓?fù)淠軒Х治龅妊芯糠椒?，在拓?fù)渚w絕緣體（topological crystalline insulator）薄膜研究中取得了突破性進(jìn)展。日前在《自然 材料》(Nature Materials)上發(fā)表了題為Spin-filtered edge states with an electrically tunable gap in a two-dimensional topological crystalline insulator（二維拓?fù)渚w絕緣體中具有電場(chǎng)可調(diào)能隙且自旋過(guò)濾特性的拓?fù)溥吘墤B(tài)）的研究論文。清華大學(xué)物理系博士生劉軍偉為論文第一作者，美國(guó)麻省理工學(xué)院傅亮教授為論文通訊作者。
三維拓?fù)渚w絕緣體是完全不同于拓?fù)浣^緣體(topological insulator)的一種新型拓?fù)洳牧?，其拓?fù)湫再|(zhì)受到晶格對(duì)稱(chēng)性(crystal symmetry)而非時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性(time-reversal symmetry)保護(hù)。最近由理論預(yù)測(cè)可以在SnTe類(lèi)的四六族半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)由鏡面對(duì)稱(chēng)性(mirror symmetry)保護(hù)的拓?fù)渚w絕緣體，并很快得到了美國(guó)、日本、瑞典和中國(guó)等不同地區(qū)的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)組的驗(yàn)證，進(jìn)而成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一個(gè)很重要的研究的方向。
左圖為二維拓?fù)渚w絕緣體受鏡面對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的拓?fù)溥吘墤B(tài)。右圖為可以通過(guò)外加電場(chǎng)，打開(kāi)邊緣態(tài)的能隙，從而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控的拓?fù)溥吘墤B(tài)，為實(shí)現(xiàn)拓?fù)渚w管提供了物理基礎(chǔ)。
圖為拓?fù)渚w管的原理示意圖。
段文暉教授研究組與美國(guó)麻省理工學(xué)院傅亮教授等合作，首先將三維拓?fù)渚w絕緣體的概念推廣到二維，提出了由鏡面對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的二維絕緣體的新型拓?fù)湎啵⒆C明這種新型的拓?fù)湎嗫梢栽赟nTe和Pbx Sn(1-x) Se(Te)（001）薄膜中實(shí)現(xiàn)。這種新型的拓?fù)洳牧?，其體能帶（bulk bands）具有能隙，但是在邊緣上存在由（001）鏡面對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的具有自旋過(guò)濾(spin-filter)性質(zhì)的邊緣態(tài)(edge states)。更為重要的是，通過(guò)垂直于薄膜的電場(chǎng)，就可以破壞體系的鏡面對(duì)稱(chēng)性，從而在邊緣態(tài)上產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)調(diào)控的能隙(electrically tunable gap)。利用這種奇異的特性，此研究提出了一種新型晶體管，稱(chēng)之為拓?fù)渚w管(topological transistor)。在這種晶體管中，電荷輸運(yùn)（charge transport）和自旋輸運(yùn)（spin transport）極大地糾纏在一起，并且可以被外加電場(chǎng)同時(shí)調(diào)控。由于拓?fù)渚w管的工作原理與傳統(tǒng)晶體管的實(shí)現(xiàn)原理完全不同，其開(kāi)/關(guān)狀態(tài)并不需要實(shí)現(xiàn)n型電子和p型電子的復(fù)合，因而可以在拓?fù)渚w管中實(shí)現(xiàn)很高的開(kāi)關(guān)速度(on/off speed)，同時(shí)具有很小的能耗。
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和科技部973項(xiàng)目的資助。
供稿：物理系 學(xué)生編輯：長(zhǎng)松
