实验室在拓扑晶体绝缘体薄膜研究中取得突破性进展

2014年3月27日

实验室在拓扑晶体绝缘体薄膜研究中取得突破性进展

三维拓扑晶体绝缘体是完全不同于拓扑绝缘体的一种新型拓扑材料,其拓扑性质受到晶格对称性而非时间反演对称性保护。最近由理论预测可以在SnTe类的四六族半导体中实现由镜面对称性保护的拓扑晶体绝缘体,并很快得到了美国、日本、瑞典和中国等不同地区的独立实验组的验证,进而成为凝聚态物理领域一个很重要的研究的方向。

实验室博士生刘军伟,在导师段文晖教授的指导下,与美国麻省理工学院的傅亮教授等合作,结合能带结构计算,k.p模型和拓扑能带分析等研究方法,在拓扑晶体薄膜研究中取得了突破性进展。他们首先将三维拓扑晶体绝缘体的概念推广到二维,提出了由镜面对称性保护的二维绝缘体的新型拓扑相,并证明这种新型的拓扑相可以在SnTe和PbxSn1-xSe(Te)的(001)薄膜。这种新型的拓扑材料,其体能带具有能隙,但是在边缘上存在由(001)镜面对称性保护的具有自旋过滤性质的边缘态。更为重要的是,通过垂直与薄膜的电场,就可以破坏体系的镜面对称性,从而在边缘态上产生一个电场调控的能隙。利用这种奇异的特性,此研究提出了一种新型晶体管,称之为拓扑晶体管。在这种晶体管中,电荷输运和自旋输运极大的纠缠在一起,并且可以被外加电场同时调控。由于拓扑晶体管的工作原理与传统晶体管的实现原理完全不同,其开/关状态并不需要实现n型电子和p型电子的复合,因而可以在拓扑晶体管中实现很高的开关速度,同时具有很小的能耗。

该成果以“Spin-filtered edge states with an electrically tunable gap in a two-dimensional topological crystalline insulator”为题发表在2014年2月的Nature Materials [Nat. Mat. 13, 178–183 (2014)]上。上述研究工作得到了国家自然科学基金和科技部“973”项目的资助。