核心提示：按照導電性質(zhì)的不同，材料可分為“金屬”和“絕緣體”兩大類(lèi)；而更進(jìn)一步，根據電子態(tài)的拓撲性質(zhì)的不同，“絕緣體”和“金屬”還可以進(jìn)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(lèi)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
一、拓撲絕緣體簡(jiǎn)介
按照導電性質(zhì)的不同，材料可分為“金屬”和“絕緣體”兩大類(lèi)；而更進(jìn)一步，根據電子態(tài)的拓撲性質(zhì)的不同，“絕緣體”和“金屬”還可以進(jìn)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(lèi)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(tài)，這是它有別于普通絕緣體的最獨特的性質(zhì)。這樣的導電邊緣態(tài)是穩定存在的，且不同自旋的導電電子的運動(dòng)方向是相反的，所以信息的傳遞可以通過(guò)電子的自旋，而不像傳統材料通過(guò)電荷，不涉及耗散過(guò)程，通俗地說(shuō)就是不會(huì )發(fā)熱，這一發(fā)現讓人們對制造未來(lái)新型電腦芯片等元器件充滿(mǎn)了希望。
圖：金屬、絕緣體和拓撲絕緣體的關(guān)系
最早發(fā)現的拓撲絕緣體狀態(tài)，可以追溯到20多年前發(fā)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(xué)獎，開(kāi)創(chuàng )了凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)新紀元。但由于這種效應需要滿(mǎn)足強磁場(chǎng)和低溫這兩個(gè)條件，不利于推廣應用。直到2005年，人們才發(fā)現不需要強磁場(chǎng)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(shí)現類(lèi)似于量子霍爾效應中的電子態(tài)，即量子自旋霍爾效應態(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(jìn)步，每過(guò)18個(gè)月，集成電路上可容納的晶體管的數目會(huì )翻一番，性能也將提高一倍。隨著(zhù)晶體管越小越密集，發(fā)熱問(wèn)題也就會(huì )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(fā)現將可能解決這個(gè)問(wèn)題，從而引發(fā)未來(lái)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(wú)需磁場(chǎng)而由本征材料能帶結構產(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”，該效應入選科學(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(guò)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(kāi)拓性的貢獻。
理論研究與預言：
圖：通過(guò)**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）。預言了一類(lèi)新的強拓撲絕緣體材料系統（Bi2Se3, Bi2Te3 和Sb2Te3），這是最簡(jiǎn)單的強拓撲絕緣體，便于理論模型研究，同時(shí)非常穩定且容易合成，有可能會(huì )成為實(shí)現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的晶體結構。在**性原理程序中首次實(shí)現了拓撲不變量Z2的普適計算，進(jìn)而可以直接判斷一個(gè)材料是否為拓撲絕緣體。這個(gè)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(gè)有力工具，以L(fǎng)aPtBi原型，成功預言了在half-Heusler三元化合物家族中存在著(zhù)大量拓撲絕緣體材料。本工作發(fā)表在2010年的Physical Review Letter上。另外還預測黃銅礦體系中存在著(zhù)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(lèi)似的電子自旋分布，與s波超導體一起可以在界面實(shí)現拓撲超導態(tài)，為實(shí)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(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)現在拓撲絕緣體材料（Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3）的薄膜中通過(guò)摻雜過(guò)渡金屬元素（Cr 或者 Fe）可以實(shí)現量子化的反?；魻栃?。這里最關(guān)鍵的問(wèn)題是通過(guò)磁性摻雜，借助Van Vleck順磁性，可以實(shí)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(guò)**性原理計算和理論分析，發(fā)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(zhù)絕緣體的狀態(tài)，且可以實(shí)現鐵磁的長(cháng)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(wú)需外加磁場(chǎng)，也無(wú)需相應的朗道能級，在適當的雜質(zhì)摻雜濃度和溫度下，就可以觀(guān)察到量子化的反?；魻栃?。這一發(fā)現為低能量耗散的新型電子器件設計指出了一個(gè)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(shí)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(zhuān)門(mén)約稿在Physics雜志上同步刊登了介紹文章，向讀者重點(diǎn)推薦該工作，同時(shí)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(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(guò)對薄膜層厚、襯底和生長(cháng)條件的選擇，可以實(shí)現對薄膜電子結構和化學(xué)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(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(gè)QL的移動(dòng)，證明了薄膜的逐層生長(cháng)。
圖：利用ARPES技術(shù)，系統研究了Bi2Se3從厚度僅一個(gè)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(shí)存在一個(gè)與表面態(tài)類(lèi)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?；魻栃?、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(fā)表在**科學(xué)雜志自然的子刊Nature Physics上，并被Nature China進(jìn)行了報導。
圖：通過(guò)掃描隧道顯微鏡以及隧道譜(STM/STS)的觀(guān)測，研究了該材料中的缺陷類(lèi)型并確定主要缺陷。通過(guò)精確控制生長(cháng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現了對Sb2Te3薄膜中缺陷的濃度以及類(lèi)型的有效控制。進(jìn)一步結合襯底的n型摻雜效應，他們實(shí)現了對Sb2Te3薄膜的費米面在整個(gè)體能隙范圍內的有效調節(圖g)，特別是其費米面能夠穿過(guò)狄拉克點(diǎn)達到表面態(tài)電荷中性點(diǎn)。(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(cháng)后薄膜中狄拉克點(diǎn)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(guò)對Sb2Te3薄膜中朗道能級的系統研究(圖c)，首次證實(shí)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)電子不同于普通導體中的載流子，具有獨特的螺旋自旋結構。同時(shí)，他們證實(shí)了Sb2Te3表面態(tài)具有接近完美的線(xiàn)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(diǎn)表明，Sb2Te3是一種研究和實(shí)現拓撲絕緣體許多奇特現象的理想材料。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(zhù)Sb含量的增加，表面態(tài)的狄拉克點(diǎn)逐漸脫離體價(jià)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(cháng)了不同組分的(Bi1-xSb)2Te3三元合金薄膜來(lái)調節其性質(zhì)。ARPES譜和輸運測量研究表明，通過(guò)控制三元合金薄膜中Bi/ Sb的比例，其表面態(tài)能帶結構可以從空穴型轉變?yōu)殡娮有?圖3)，而狄拉克點(diǎn)可以從價(jià)帶頂以下（Bi2Te3）提升到體能隙中。這種能帶和化學(xué)勢的調控技術(shù)不僅可以實(shí)現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用產(chǎn)生重要的促進(jìn)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(shí)驗技術(shù)，在三維拓撲化合物Bi2Te3中成功地觀(guān)察到壓力誘導的超導轉變。進(jìn)一步研究表明，這種轉變（電阻陡降）的溫度隨外加磁場(chǎng)向低溫端移動(dòng)，表明轉變的超導屬性。結構實(shí)驗表明在上述壓力區間Bi2Te3依然保持常壓相構型，基于實(shí)驗測量的結構數據，**性原理計算證實(shí)母體相依然具有拓撲屬性。并探討了在Bi2Te3實(shí)現具有自旋三重態(tài)的體態(tài)拓撲超導的可能。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和擊穿電場(chǎng)強度的鈦酸鍶(SrTO3)作為襯底，外延生長(cháng)出高質(zhì)量的拓撲絕緣體單晶薄膜，并實(shí)現了對其化學(xué)勢和量子輸運性質(zhì)的大范圍調控，并大大抑制了其體電導。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(chǎng)對反弱局域輸運性質(zhì)的調控效應。這個(gè)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(jìn)的低溫－高壓－磁場(chǎng)綜合測量系統對拓撲絕緣體Bi2Te3單晶進(jìn)行了系統的研究。通過(guò)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(guò)高壓實(shí)時(shí)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(lèi)型的轉變之間的定量關(guān)系。相關(guān)實(shí)驗結果在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(diǎn)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(lèi)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(fā)現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)境中拓撲序的穩定性;其次，暴露空氣之后材料的表面態(tài)電子結構發(fā)生了顯著(zhù)的變化，表現出明顯的電子摻雜，導致表面態(tài)能帶整體向結合能更大的方向移動(dòng)，費米面也相應地產(chǎn)生了顯著(zhù)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出的這些行為，對于拓撲絕緣體相關(guān)的基礎研究和最終應用有著(zhù)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
