清華物理系與麻省理工合作在拓撲晶體絕緣體薄膜研究中取得突破性進展
清華新聞網3月31日電 清華大學物理系段文暉教授課題組與美國麻省理工學院的傅亮教授、Jagadeesh Moodera教授等合作，結合能帶結構計算低能有效理論（k·p模型）和拓撲能帶分析等研究方法，在拓撲晶體絕緣體（topological crystalline insulator）薄膜研究中取得了突破性進展。日前在《自然 材料》(Nature Materials)上發(fā)表了題為Spin-filtered edge states with an electrically tunable gap in a two-dimensional topological crystalline insulator（二維拓撲晶體絕緣體中具有電場可調能隙且自旋過濾特性的拓撲邊緣態(tài)）的研究論文。清華大學物理系博士生劉軍偉為論文第一作者，美國麻省理工學院傅亮教授為論文通訊作者。
三維拓撲晶體絕緣體是完全不同于拓撲絕緣體(topological insulator)的一種新型拓撲材料，其拓撲性質受到晶格對稱性(crystal symmetry)而非時間反演對稱性(time-reversal symmetry)保護。最近由理論預測可以在SnTe類的四六族半導體中實現(xiàn)由鏡面對稱性(mirror symmetry)保護的拓撲晶體絕緣體，并很快得到了美國、日本、瑞典和中國等不同地區(qū)的獨立實驗組的驗證，進而成為凝聚態(tài)物理領域一個很重要的研究的方向。
左圖為二維拓撲晶體絕緣體受鏡面對稱性保護的拓撲邊緣態(tài)。右圖為可以通過外加電場，打開邊緣態(tài)的能隙，從而實現(xiàn)電場調控的拓撲邊緣態(tài)，為實現(xiàn)拓撲晶體管提供了物理基礎。
圖為拓撲晶體管的原理示意圖。
段文暉教授研究組與美國麻省理工學院傅亮教授等合作，首先將三維拓撲晶體絕緣體的概念推廣到二維，提出了由鏡面對稱性保護的二維絕緣體的新型拓撲相，并證明這種新型的拓撲相可以在SnTe和Pbx Sn(1-x) Se(Te)（001）薄膜中實現(xiàn)。這種新型的拓撲材料，其體能帶（bulk bands）具有能隙，但是在邊緣上存在由（001）鏡面對稱性保護的具有自旋過濾(spin-filter)性質的邊緣態(tài)(edge states)。更為重要的是，通過垂直于薄膜的電場，就可以破壞體系的鏡面對稱性，從而在邊緣態(tài)上產生一個電場調控的能隙(electrically tunable gap)。利用這種奇異的特性，此研究提出了一種新型晶體管，稱之為拓撲晶體管(topological transistor)。在這種晶體管中，電荷輸運（charge transport）和自旋輸運（spin transport）極大地糾纏在一起，并且可以被外加電場同時調控。由于拓撲晶體管的工作原理與傳統(tǒng)晶體管的實現(xiàn)原理完全不同，其開/關狀態(tài)并不需要實現(xiàn)n型電子和p型電子的復合，因而可以在拓撲晶體管中實現(xiàn)很高的開關速度(on/off speed)，同時具有很小的能耗。
該研究工作得到了國家自然科學基金和科技部973項目的資助。
供稿：物理系 學生編輯：長松
