拓扑绝缘体实验研究取得新进展

图一

图二近日，清华大学物理系薛其坤、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）研究员马旭村领导的研究组合作，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（见图一所示的扫描隧道显微镜照片。照片尺寸：10纳米×10纳米）。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”，见图二），证明了它具有无质量狄拉克费米子的特征。这一系列成果先后发表在《自然—物理学》（Nature Physics 6, 584 (2010) ）、《物理评论快报》（Physical Review Letters 103, 266803 (2009)）、《物理评论快报》（Physical Review Letters 105, 076801 (2010)）和《先进材料》（Advance Material (2010)）上。其中 “朗道量子化”的相关成果（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。这一系列工作使得该团队成为拓扑绝缘体实验研究领域为数不多的国际领先研究组之一，在国际上产生了广泛影响。在近两年与拓扑绝缘体相关的高端国际会议（如2010和2011美国物理学会年会）上，团队成员受邀，已作或即将作报告。在研究过程中，该团队与清华物理系王亚愚教授、朱邦芬院士，以及中科院、北京大学、香港大学、美国宾州大学的国际国内相关领域专家密切合作。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）、斯坦福大学教授、清华大学高等研究院教授张首晟，以及清华校友、斯坦福大学教授祁晓亮等建立了理论实验联合攻关小组。9月1日，张首晟教授因其“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，与四位欧美科学家共同荣获2010年“欧洲物理奖”，成为获得该奖项的首位华人科学家。目前，该联合攻关小组正全力以赴，力争在拓扑绝缘体的量子反常霍尔效应、Majarona费米子等研究中取得突破。拓扑绝缘体是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

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