我系在拓扑绝缘体的实验研究方面取得一系列突破性进展

 

拓扑绝缘体是最近几年才发现的一种新的物质形态。众所周知,通常的绝缘体材料(如陶瓷、玻璃等)不具有自由载流子,在常温下不导电。拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体,由于自旋-轨道相互作用(相对论效应),在这类绝缘材料的表面总是存在着无质量狄拉克型的电子态,因而其表面总是金属性的、导电的。电子是导电的载体,除了负有电荷以外,它还具有一种自旋的性质,就如同地球绕着太阳运转,而地球本身也在自转一样。在目前广泛使用的计算机芯片中,电子的自转状态是不确定的。电子从晶体管的一端走到另一端的过程中,就如同要穿过一个杂乱无章的迪斯科舞场,不可避免地会发生碰撞,碰撞就会发热,就会耗散热量。在拓扑绝缘体中,电子自转方向与电流方向之间存在着确定的关系。不同方向运动的电子像高速公路上相向行驶的汽车一样各行其道,互不干扰,从而使能量耗散很低。 拓扑绝缘体的独特性质使其在低能耗电子器件和容错量子计算等领域具有潜在的重要应用价值,有可能对未来的信息技术产生革命性的影响。因此,拓扑绝缘体一经发现就迅速引起物理学、材料科学等领域科学家的极大兴趣,是目前物理学的一个前沿研究方向。

最近,物理系薛其坤、陈曦和贾金锋等组成的研究团队,在拓扑绝缘体的实验研究方面取得一系列突破性进展。他们与中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)马旭村研究员领导的研究组合作,利用分子束外延技术,在硅、碳化硅和蓝宝石等单晶衬底上制备出了原子级平整的高质量三维拓扑绝缘体(Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3)薄膜。原位角分辨光电子能谱测量显示,这些薄膜具有本征的绝缘体特征。三维拓扑绝缘体的量子薄膜的实现为理论预言的量子反常霍尔效应、巨大热电效应、激子凝聚等新奇量子现象的研究提供了基础,是在拓扑绝缘体材料制备方面的一个重要进展。利用这些高质量的薄膜材料,他们发现了拓扑绝缘体特有的背散射缺失现象,从实验上证明了拓扑量子态受时间反演对称性的保护,观察到了这种特殊的“两维电子气”在外磁场下的量子化行为(物理学上简称为“朗道量子化”),证明了它具有无质量狄拉克费米子的特征。这一系列的工作先后发表在Nature Physics 6, 584 (2010) 、Physical Review Letters 103, 266803 (2009)、Physical Review Letters 105, 076801 (2010)和Advance Material (2010)上。其中关于“朗道量子化”工作(Physical Review Letters 105, 076801 (2010))发表的同时,美国物理学会的“Physics”栏目发表“Viewpoint”专栏文章,专题介绍了这一重要进展。

这一系列的工作使得该团队成为拓扑绝缘体实验研究方面的几个国际领先的研究组之一,并在国际上形成了广泛的影响。在最近一年和未来一年大部分与拓扑绝缘体相关的国际会议(如2010和2011美国物理学会年会)上,团队成员受到邀请,做了/即将做邀请报告。在研究过程中,该团队与物理系的王亚愚教授和朱邦芬院士、中科院物理所的方忠研究员和戴希研究员、北京大学的谢心澄教授和牛谦教授、香港大学的沈顺清教授以及美国宾州大学的刘荧教授等逐渐建立了密切的合作。特别值得一提的是,他们还与拓扑绝缘体的场论理论提出者(该领域的开创人之一)、美国斯坦福大学张首晟教授,以及清华毕业生、现斯坦福大学的祁晓亮等建立了理论实验联合攻关小组。以上提到的一些研究进展就是这些成员联合攻关的成果。9月1日,因为“量子自旋霍尔效应理论预言和实验观测”领域的开创性贡献,张首晟教授与四位欧美科学家共同荣获2010年“欧洲物理奖”,他是获得该奖项的首位华人科学家(详细情况见9月2日的清华综合新闻)。