核心提示：按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同，材料可分為“金屬”和“絕緣體”兩大類；而更進一步，根據(jù)電子態(tài)的拓撲性質(zhì)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(jù)這樣的新標準而劃分的區(qū)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(nèi)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
一、拓撲絕緣體簡介
按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同，材料可分為“金屬”和“絕緣體”兩大類；而更進一步，根據(jù)電子態(tài)的拓撲性質(zhì)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(jù)這樣的新標準而劃分的區(qū)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(nèi)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(dǎo)電的邊緣態(tài)，這是它有別于普通絕緣體的最獨特的性質(zhì)。這樣的導(dǎo)電邊緣態(tài)是穩(wěn)定存在的，且不同自旋的導(dǎo)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(tǒng)材料通過電荷，不涉及耗散過程，通俗地說就是不會發(fā)熱，這一發(fā)現(xiàn)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(guān)系
最早發(fā)現(xiàn)的拓撲絕緣體狀態(tài)，可以追溯到20多年前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)分別獲得1985年和1998年兩度Nobel物理學(xué)獎，開創(chuàng)了凝聚態(tài)物理學(xué)的一個新紀元。但由于這種效應(yīng)需要滿足強磁場和低溫這兩個條件，不利于推廣應(yīng)用。直到2005年，人們才發(fā)現(xiàn)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(yīng)，就可以實現(xiàn)類似于量子霍爾效應(yīng)中的電子態(tài)，即量子自旋霍爾效應(yīng)態(tài)或拓撲絕緣體態(tài)。這立刻引起了全球科學(xué)家界的重大關(guān)注。摩爾定律認為，由于技術(shù)的進步，每過18個月，集成電路上可容納的晶體管的數(shù)目會翻一番，性能也將提高一倍。隨著晶體管越小越密集，發(fā)熱問題也就會越突出，因此許多人預(yù)言摩爾定律將于2015年失效。而拓撲絕緣體的發(fā)現(xiàn)將可能解決這個問題，從而引發(fā)未來電子技術(shù)的新一輪革命。2006年，美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拓撲絕緣態(tài)，而這種特殊的拓撲絕緣體態(tài)將引起非常有趣的“量子自旋霍爾效應(yīng)”，該效應(yīng)入選科學(xué)評出的2007年十大科學(xué)突破并列第二位。
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(yù)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(guān)注。物理所的系列研究成果多次發(fā)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(fā)展做出了開拓性的貢獻。
理論研究與預(yù)言：
圖：通過**性原理計算得到的拓撲絕緣體的特殊表面態(tài)（上）及其電子自旋分布（下）。預(yù)言了一類新的強拓撲絕緣體材料系統(tǒng)（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(wěn)定且容易合成，有可能會成為實現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子學(xué)器件。本工作于2009年發(fā)表在**科學(xué)雜志自然的子刊自然物理（Nature Physics）。
圖：half-Heusler化合物L(fēng)aPtBi的晶體結(jié)構(gòu)。在**性原理程序中首次實現(xiàn)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(yù)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(fā)表在2010年的Physical Review Letter上。另外還預(yù)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(tài)具有與拓撲絕緣體表面態(tài)類似的電子自旋分布，與s波超導(dǎo)體一起可以在界面實現(xiàn)拓撲超導(dǎo)態(tài)，為實現(xiàn)拓撲量子計算打下材料基礎(chǔ)。本工作于2011年以Rapid Communication形式發(fā)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)量子化的反常霍爾效應(yīng)。這里最關(guān)鍵的問題是通過磁性摻雜，借助Van Vleck順磁性，可以實現(xiàn)磁性的拓撲絕緣體，磁性居里溫度可以達到70K的量級。通過**性原理計算和理論分析，發(fā)現(xiàn)這一磁性原子摻雜體系與一般的稀磁半導(dǎo)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(tài)，且可以實現(xiàn)鐵磁的長程有序態(tài)。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(yīng)的朗道能級，在適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)摻雜濃度和溫度下，就可以觀察到量子化的反常霍爾效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)為低能量耗散的新型電子器件設(shè)計指出了一個新的發(fā)展方向。本工作于2010年發(fā)表在國際**雜志《科學(xué)》上。
圖：理論計算預(yù)言HgCr2Se4處于鐵磁性“陳半金屬”態(tài)（左上），其表面態(tài)具有兩段費米?。ㄓ疑希?。非磁性Na3Bi處于“狄拉克半金屬”態(tài)，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(guān)系（左下），費米面由兩段半圓形費米?。ㄓ蚁拢┙M成，且具有不同于拓撲絕緣體表面態(tài)的自旋分布。相關(guān)成果于2011年發(fā)表在物理學(xué)**雜志Physical Review Letters上，該文章發(fā)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(dāng)期的編輯推薦文章。
圖11：利用分子束外延（MBE）技術(shù)，成功制備出了原子級平整、低缺陷密度的高質(zhì)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(xiàn)對薄膜電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)勢的人工控制。這為拓撲絕緣體的研究和應(yīng)用打下了很好的材料基礎(chǔ)。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(zhì)量。（d）不同厚度薄膜的垂直方向光電子發(fā)射譜，顯示出量子阱態(tài)隨每一個QL的移動，證明了薄膜的逐層生長。
圖：利用ARPES技術(shù)，系統(tǒng)研究了Bi2Se3從厚度僅一個QL到幾百Q(mào)L的電子結(jié)構(gòu)的演化。表明在三維拓撲絕緣體薄膜的界面一側(cè)確實存在一個與表面態(tài)類似的Dirac表面態(tài)，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(fā)展新的自旋電子器件具有指導(dǎo)意義。三維拓撲絕緣體的量子薄膜的成功制備也為理論預(yù)言的量子反常霍爾效應(yīng)、巨大的熱電效應(yīng)、激子凝聚等效應(yīng)的研究提供了基礎(chǔ)。此圖和上圖的成果于2010年發(fā)表在**科學(xué)雜志自然的子刊Nature Physics上，并被Nature China進行了報導(dǎo)。
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(xué)，實現(xiàn)了對Sb2Te3薄膜中缺陷的濃度以及類型的有效控制。進一步結(jié)合襯底的n型摻雜效應(yīng)，他們實現(xiàn)了對Sb2Te3薄膜的費米面在整個體能隙范圍內(nèi)的有效調(diào)節(jié)(圖g)，特別是其費米面能夠穿過狄拉克點達到表面態(tài)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(yōu)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(guān)系。該成果發(fā)表在2011年出版的物理學(xué)**雜志Physical Review Letters上。
圖：通過對Sb2Te3薄膜中朗道能級的系統(tǒng)研究(圖c)，首次證實了Sb2Te3表面態(tài)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(tài)電子不同于普通導(dǎo)體中的載流子，具有獨特的螺旋自旋結(jié)構(gòu)。同時，他們證實了Sb2Te3表面態(tài)具有接近完美的線性色散關(guān)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(xiàn)拓撲絕緣體許多奇特現(xiàn)象的理想材料。該成果發(fā)表在2011年出版的物理學(xué)**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(tài)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)其性質(zhì)。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(tài)能帶結(jié)構(gòu)可以從空穴型轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有?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(xué)勢的調(diào)控技術(shù)不僅可以實現(xiàn)理想的本征拓撲絕緣體，而且可能對表面態(tài)的量子輸運研究和器件應(yīng)用產(chǎn)生重要的促進作用。相關(guān)成果于2011年發(fā)表在**科學(xué)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(shù)，在三維拓撲化合物Bi2Te3中成功地觀察到壓力誘導(dǎo)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。進一步研究表明，這種轉(zhuǎn)變（電阻陡降）的溫度隨外加磁場向低溫端移動，表明轉(zhuǎn)變的超導(dǎo)屬性。結(jié)構(gòu)實驗表明在上述壓力區(qū)間Bi2Te3依然保持常壓相構(gòu)型，基于實驗測量的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，**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(xiàn)具有自旋三重態(tài)的體態(tài)拓撲超導(dǎo)的可能。以上工作發(fā)表在美國科學(xué)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(shù)和擊穿電場強度的鈦酸鍶(SrTO3)作為襯底，外延生長出高質(zhì)量的拓撲絕緣體單晶薄膜，并實現(xiàn)了對其化學(xué)勢和量子輸運性質(zhì)的大范圍調(diào)控，并大大抑制了其體電導(dǎo)。相關(guān)工作在Physical Review Letters (2010) 和 Advanced Functional Materials (2011)發(fā)表，并已得到國際同行廣泛引用。在量子輸運性質(zhì)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(zhì)的調(diào)控效應(yīng)。這個工作于2011年作為Raid Communications發(fā)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(tǒng)對拓撲絕緣體Bi2Te3單晶進行了系統(tǒng)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(dǎo)的拓撲絕緣體至超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。并通過高壓實時霍爾測量， 首次給出了壓力下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與載流子濃度和類型的轉(zhuǎn)變之間的定量關(guān)系。相關(guān)實驗結(jié)果在2011年以Rapid communication 的形式發(fā)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(jié)構(gòu)中壓力調(diào)制的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度；（b）不同晶體結(jié)構(gòu)中霍爾系數(shù)隨壓力的變化，在常壓相（AP phase）向高壓相（HP phase）轉(zhuǎn)變的臨界壓力（～8 GPa），其載流子類型從空穴型轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)暴露空氣之后的拓撲絕緣體的拓撲表面態(tài)依然存在，直接證明了空氣環(huán)境中拓撲序的穩(wěn)定性;其次，暴露空氣之后材料的表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化，表現(xiàn)出明顯的電子摻雜，導(dǎo)致表面態(tài)能帶整體向結(jié)合能更大的方向移動，費米面也相應(yīng)地產(chǎn)生了顯著變化;非常有趣的是，在拓撲絕緣體的表面，產(chǎn)生了與表面態(tài)共存的額外的量子阱態(tài)。拓撲絕緣體表面態(tài)在暴露空氣之后表現(xiàn)出的這些行為，對于拓撲絕緣體相關(guān)的基礎(chǔ)研究和最終應(yīng)用有著重要的意義。相關(guān)成果于2012年發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences《美國科學(xué)院院刊》上。
————摘自中國科學(xué)院
