|
|
|
|
 科普文章
一種新的量子材料——拓撲絕緣體

一、拓撲絕緣體簡介

按照導電性質的不同,材料可分為“金屬”和“絕緣體”兩大類;而更進一步,根據電子態的拓撲性質的不同,“絕緣體”和“金屬”還可以進行更細致的劃分。拓撲絕緣體就是根據這樣的新標準而劃分的區別于其他普通絕緣體的一類絕緣體。因而,拓撲絕緣體的體內與人們通常認識的絕緣體一樣,是絕緣的,但是在它的邊界或表面總是存在導電的邊緣態,這是它有別于普通絕緣體的最獨特的性質。這樣的導電邊緣態是穩定存在的,且不同自旋的導電電子的運動方向是相反的,所以信息的傳遞可以通過電子的自旋,而不像傳統材料通過電荷,不涉及耗散過程,通俗地說就是不會發熱,這一發現讓人們對制造未來新型電腦芯片等元器件充滿了希望。

圖:金屬、絕緣體和拓撲絕緣體的關系

最早發現的拓撲絕緣體狀態,可以追溯到20多年前發現的量子霍爾效應。量子霍爾效應分別獲得1985年和1998年兩度Nobel物理學獎,開創了凝聚態物理學的一個新紀元。但由于這種效應需要滿足強磁場和低溫這兩個條件,不利于推廣應用。直到2005年,人們才發現不需要強磁場和低溫條件,僅僅依靠任何材料都具有的自旋軌道耦合效應,就可以實現類似于量子霍爾效應中的電子態,即量子自旋霍爾效應態或拓撲絕緣體態。這立刻引起了全球科學家界的重大關注。摩爾定律認為,由于技術的進步,每過18個月,集成電路上可容納的晶體管的數目會翻一番,性能也將提高一倍。隨著晶體管越小越密集,發熱問題也就會越突出,因此許多人預言摩爾定律將于2015年失效。而拓撲絕緣體的發現將可能解決這個問題,從而引發未來電子技術的新一輪革命。2006年,美國斯坦福大學的科學家提出,在碲化汞量子阱體系中可能存在無需磁場而由本征材料能帶結構產生的拓撲絕緣態,而這種特殊的拓撲絕緣體態將引起非常有趣的“量子自旋霍爾效應”,該效應入選科學評出的2007年十大科學突破并列第二位。

圖:拓撲絕緣體的發展

二、研究進展

在拓撲絕緣體材料研究工作中,物理所在拓撲絕緣體的理論預言、材料制備、機理研究等各方面均做出突破性工作,取得系列成果,受到世界的關注。物理所的系列研究成果多次發表在過國際知名雜志上,并多次得到雜志的編輯推薦,成為封面文章,為拓撲絕緣材料的發展做出了開拓性的貢獻。

理論研究與預言:

圖:通過第一性原理計算得到的拓撲絕緣體的特殊表面態(上)及其電子自旋分布(下)。預言了一類新的強拓撲絕緣體材料系統(Bi2Se3, Bi2Te3 和Sb2Te3),這是最簡單的強拓撲絕緣體,便于理論模型研究,同時非常穩定且容易合成,有可能會成為實現室溫低能耗的自旋電子學器件。本工作于2009年發表在著名科學雜志自然的子刊自然物理(Nature Physics)。

圖:half-Heusler化合物LaPtBi的晶體結構。在第一性原理程序中首次實現了拓撲不變量Z2的普適計算,進而可以直接判斷一個材料是否為拓撲絕緣體。這個計算方法適用于包括空間反演破缺的體系,將成為尋找拓撲絕緣體新材料的強有力工具。利用這個有力工具,以LaPtBi原型,成功預言了在half-Heusler三元化合物家族中存在著大量拓撲絕緣體材料。本工作發表在2010年的Physical Review Letter上。另外還預測黃銅礦體系中存在著大量拓撲絕緣體材料。

圖:理論計算顯示NaCoO2的表面態具有與拓撲絕緣體表面態類似的電子自旋分布,與s波超導體一起可以在界面實現拓撲超導態,為實現拓撲量子計算打下材料基礎。本工作于2011年以Rapid Communication形式發表在Physical Review B雜志上,并被選為編輯推薦的文章。

拓撲絕緣體的制備與機理研究

圖:發現在拓撲絕緣體材料(Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3)的薄膜中通過摻雜過渡金屬元素(Cr 或者 Fe)可以實現量子化的反常霍爾效應。這里最關鍵的問題是通過磁性摻雜,借助Van Vleck順磁性,可以實現磁性的拓撲絕緣體,磁性居里溫度可以達到70K的量級。通過第一性原理計算和理論分析,發現這一磁性原子摻雜體系與一般的稀磁半導體有明顯的不同,這里不需要有載流子,體系仍然保持著絕緣體的狀態,且可以實現鐵磁的長程有序態。而且由于薄膜中摻雜原子的自旋極化與強烈的自旋-軌道耦合,在這一體系中無需外加磁場,也無需相應的朗道能級,在適當的雜質摻雜濃度和溫度下,就可以觀察到量子化的反常霍爾效應。這一發現為低能量耗散的新型電子器件設計指出了一個新的發展方向。本工作于2010年發表在國際著名雜志《科學》上。

圖:理論計算預言HgCr2Se4處于鐵磁性“陳半金屬”態(左上),其表面態具有兩段費米弧(右上)。非磁性Na3Bi處于“狄拉克半金屬”態,其表面同時具有體狄拉克錐和表面狄拉克錐形電子色散關系(左下),費米面由兩段半圓形費米弧(右下)組成,且具有不同于拓撲絕緣體表面態的自旋分布。相關成果于2011年發表在物理學著名雜志Physical Review Letters上,該文章發表后,引起了編輯部的濃厚興趣,他們專門約稿在Physics雜志上同步刊登了介紹文章,向讀者重點推薦該工作,同時該文也被PRL編輯部評為當期的編輯推薦文章。

圖11:利用分子束外延(MBE)技術,成功制備出了原子級平整、低缺陷密度的高質量三維拓撲絕緣體薄膜,并且通過對薄膜層厚、襯底和生長條件的選擇,可以實現對薄膜電子結構和化學勢的人工控制。這為拓撲絕緣體的研究和應用打下了很好的材料基礎。圖為使用MBE方法制備的50納米厚的Bi2Se3薄膜的高能電子衍射圖(a)、STM形貌圖(b)和ARPES譜(c),顯示出薄膜具有很高的質量。(d)不同厚度薄膜的垂直方向光電子發射譜,顯示出量子阱態隨每一個QL的移動,證明了薄膜的逐層生長。

圖:利用ARPES技術,系統研究了Bi2Se3從厚度僅一個QL到幾百QL的電子結構的演化。表明在三維拓撲絕緣體薄膜的界面一側確實存在一個與表面態類似的Dirac表面態,并且利用外加電壓人們可以操縱這種材料的電子自旋,這對發展新的自旋電子器件具有指導意義。三維拓撲絕緣體的量子薄膜的成功制備也為理論預言的量子反常霍爾效應、巨大的熱電效應、激子凝聚等效應的研究提供了基礎。此圖和上圖的成果于2010年發表在著名科學雜志自然的子刊Nature Physics上,并被Nature China進行了報導。

圖:通過掃描隧道顯微鏡以及隧道譜(STM/STS)的觀測,研究了該材料中的缺陷類型并確定主要缺陷。通過精確控制生長動力學,實現了對Sb2Te3薄膜中缺陷的濃度以及類型的有效控制。進一步結合襯底的n型摻雜效應,他們實現了對Sb2Te3薄膜的費米面在整個體能隙范圍內的有效調節(圖g),特別是其費米面能夠穿過狄拉克點達到表面態電荷中性點。(a)-(f) Sb2Te3薄膜中主要缺陷的STM高分辨圖以及在晶格中的占位。(g)優化生長后薄膜中狄拉克點相對費米面的位置隨層厚的變化關系。該成果發表在2011年出版的物理學著名雜志Physical Review Letters上。

圖:通過對Sb2Te3薄膜中朗道能級的系統研究(圖c),首次證實了Sb2Te3表面態的準粒子壽命幾乎不受本征替代缺陷的影響,只受電子相互作用影響(圖e)。這是由于拓撲表面態電子不同于普通導體中的載流子,具有獨特的螺旋自旋結構。同時,他們證實了Sb2Te3表面態具有接近完美的線性色散關系(圖d),并確定其作為三維拓撲絕緣體的厚度極限為4層。這些特點表明,Sb2Te3是一種研究和實現拓撲絕緣體許多奇特現象的理想材料。該成果發表在2011年出版的物理學著名雜志Physical Review Letters上。

圖:(Bi1-xSb)2Te3薄膜隨x變化的角分辨光電子能譜。隨著Sb含量的增加,表面態的狄拉克點逐漸脫離體價帶。利用Sb2Te3與Bi2Te3具有不同的能帶結構和摻雜特性,還成功生長了不同組分的(Bi1-xSb)2Te3三元合金薄膜來調節其性質。ARPES譜和輸運測量研究表明,通過控制三元合金薄膜中Bi/ Sb的比例,其表面態能帶結構可以從空穴型轉變為電子型(圖3),而狄拉克點可以從價帶頂以下(Bi2Te3)提升到體能隙中。這種能帶和化學勢的調控技術不僅可以實現理想的本征拓撲絕緣體,而且可能對表面態的量子輸運研究和器件應用產生重要的促進作用。相關成果于2011年發表在著名科學雜志自然的子刊Nature Communications上

圖:運用基于金剛石壓砧的高壓低溫綜合實驗技術,在三維拓撲化合物Bi2Te3中成功地觀察到壓力誘導的超導轉變。進一步研究表明,這種轉變(電阻陡降)的溫度隨外加磁場向低溫端移動,表明轉變的超導屬性。結構實驗表明在上述壓力區間Bi2Te3依然保持常壓相構型,基于實驗測量的結構數據,第一性原理計算證實母體相依然具有拓撲屬性。并探討了在Bi2Te3實現具有自旋三重態的體態拓撲超導的可能。以上工作發表在美國科學院院刊上Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)。

圖:我們選擇具有很高介電常數和擊穿電場強度的鈦酸鍶(SrTO3)作為襯底,外延生長出高質量的拓撲絕緣體單晶薄膜,并實現了對其化學勢和量子輸運性質的大范圍調控,并大大抑制了其體電導。相關工作在Physical Review Letters (2010) 和 Advanced Functional Materials (2011)發表,并已得到國際同行廣泛引用。在量子輸運性質研究方面,我們在國際上率先報道了電場對反弱局域輸運性質的調控效應。這個工作于2011年作為Raid Communications發表在Physical Review B上,并被選為“編輯推薦”文章。

圖:物理所利用自主研制的先進的低溫-高壓-磁場綜合測量系統對拓撲絕緣體Bi2Te3單晶進行了系統的研究。通過高壓原位磁阻和交流磁化率的雙重測量, 研究了壓力誘導的拓撲絕緣體至超導體的轉變。并通過高壓實時霍爾測量, 首次給出了壓力下超導轉變溫度與載流子濃度和類型的轉變之間的定量關系。相關實驗結果在2011年以Rapid communication 的形式發表在Physical Review B上,并被該期選為編輯推薦文章和亮點工作。圖中(a)不同晶體結構中壓力調制的超導轉變溫度;(b)不同晶體結構中霍爾系數隨壓力的變化,在常壓相(AP phase)向高壓相(HP phase)轉變的臨界壓力(~8 GPa),其載流子類型從空穴型轉變成電子型。

圖. 圖為空氣解理的拓撲絕緣體Bi2Se3能帶與費米面,發現暴露空氣之后的拓撲絕緣體的拓撲表面態依然存在,直接證明了空氣環境中拓撲序的穩定性;其次,暴露空氣之后材料的表面態電子結構發生了顯著的變化,表現出明顯的電子摻雜,導致表面態能帶整體向結合能更大的方向移動,費米面也相應地產生了顯著變化;非常有趣的是,在拓撲絕緣體的表面,產生了與表面態共存的額外的量子阱態。拓撲絕緣體表面態在暴露空氣之后表現出的這些行為,對于拓撲絕緣體相關的基礎研究和最終應用有著重要的意義。相關成果于2012年發表在Proceedings of the National Academy of Sciences《美國科學院院刊》上。

三、國際合作

2010年7月5日,“IOP 2010論壇:拓撲絕緣體的未來和展望”在物理所和山東大學威海國際學術中心成功舉辦。來自美國哈佛大學、斯坦福大學、德國維爾茨堡大學等國內外十多位專家作了主題報告,主要圍繞多體系統里的拓撲絕緣體、拓撲絕緣體的輸運性質、拓撲絕緣體的新材料、拓撲絕緣體和超導體等問題進行了討論交流。

圖:“IOP 2010論壇:拓撲絕緣體的未來和展望”參會人員合影

由物理所國際合作研究中心主辦的“過渡金屬化合物中由自旋軌道耦合驅動的物理研討會”(Workshop on Physics Driven by Spin-orbital Coupling in Transition Metal Compounds)于2011年6月20日至21日在物理所舉辦。研討會就莫特轉變和自旋軌道耦合、多鐵性體、拓撲絕緣體和庫倫阻塞、納米尺度中的自旋軌道耦合等問題進行了深入探討。來自美國阿貢國家實驗室、哈佛大學、麻省理工學院、等二十多名相關領域專家作主題報告。

圖:“過渡金屬化合物中由自旋軌道耦合驅動的物理研討會”參會人員合影

圖:物理所的“拓撲絕緣體研究取得重要進展”入選由科技部組織評選的2010年度中國科學十大進展

圖:物理所四人等榮獲香港求是科技基金會2011年“求是杰出科技成就集體獎”。分別為戴希研究員(右一)、張海軍博士(右四)、馬旭村研究員(左五)、方忠研究員(左六)

中科院物理所/北京凝聚態物理國家實驗室在拓撲絕緣體方面所做的一系列工作,在國際上受到密切關注,這三年來,物理所共有7位研究員收到拓撲絕緣體相關的國際會議邀請共作作20多個邀請報告。物理所已經成為目前世界上進行拓撲絕緣體研究最有影響力的中心之一。拓撲絕緣體作為一個全新的領域,是突破未來信息技術的重要方向之一,中國科學家在基礎研究方面的工作對于我國在該領域領先發展奠定了良好的基礎。

完整版免费在线观看