我系在磁性掺杂拓扑绝缘体输运性质研究的新进展

拓扑绝缘体是具有受时间反演对称性保护的拓扑表面态的新型量子材料。该表面电子态具有线性色散关系并且自旋与动量满足特定的手性关系。理论预言这一奇异的表面电子 态在时间反演对称性受到破坏的情况下（通过施加外磁场或进行磁性掺杂）将会导致许多新奇的物理效应，如半整数量子霍尔效应、巨大磁光效应以及量子反常霍尔效应等。而对磁性掺杂拓扑绝缘体的输运性质研究目前还处于起步阶段。

最近，我系博士研究生刘旻昊、张金松、常翠祖等人在导师王亚愚、薛其坤和陈曦教授的指导下，与中科院物理所何珂、马旭村研究员合作，对磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜的输运性质进行了系统的研究。他们利用分子束外延技术生长了高质量的Cr掺杂Bi2Se3拓扑绝缘体超薄膜体系，并系统改变磁性掺杂的浓度。利用低温下的输运测量手段，他们首次发现这一体系的磁电阻随掺杂浓度的升高发生了从反弱局域化行为到弱局域化行为的转变，并发现高掺杂浓度样品的磁电阻会随温度的升高发生从弱局域化行为到弱反局域化行为的转变。结合原位的角分辨光电子谱研究，他们发现体系局域化行为的转变与表面电子态能带结构随掺杂浓度的变化具有紧密的联系。上述结果不仅显示了拓扑绝缘体中时间反演对称性破缺与拓扑保护的相互竞争对其量子输运行为的影响，而且可能为拓扑绝缘体在自旋电子学器件的应用方面提供新的思路。该成果以“Crossover between Weak Antilocalization and Weak Localization in a Magnetically Doped Topological Insulator ”为题发表在2012年1月20日的Physical Review Letters 上。