张首晟实验工作成果介绍.ppt

张首晟实验工作成果介绍 ——拓扑绝缘体理论简介 个人简介 张首晟，汉族，美国华裔科学家。因在“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，张首晟与4位欧美科学家共同荣获2010年“欧洲物理奖”，是获得该奖项的首位华人科学家。 主要贡献包括对拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、自旋电子学、高温超导等领域的研究。 2006年，张首晟提出提出拓扑绝缘体理论的材料实现方案，即通过控制电子的自旋运动来降低能耗。 2007年，张首晟成为世界上第一个以实验结果来证实拓扑绝缘体理论的学者，他的理论和实践为信息技术带来了革命性发展。同年其领导的研究团队提出“量子自旋霍尔效应”，首次从实验中观测到量子反常霍尔效应。 张首晟还将量子力学、狭义相对论和广义相对论统一起来，从而建立起“大统一场理论”。 拓扑绝缘体简介 拓扑绝缘体是一种新的量子物态。拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体、导体和半金属 绝缘体材料在其费米能处存在着有限大小的能隙，因而没有自由载流子； 金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度，进而拥有自由载流子； 半金属材料在费米能处没有能隙，但是费米能级处的电子态密度仍然为零 从理论上分析，拓扑材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面总是金属性的。其特殊的电子结构，是由其能带结构的特殊拓扑性质所决定的。 这类材料是纯的化学相，非常稳定且容易合成 这类材料表面态中只有一个狄拉克点存在，是最简单的强拓扑绝缘体，这种简单性为理论模型的研究提供了很好的平台 该材料的体能隙非常大，远远超出室温能量尺度，这也意味着有可能实现室温低能耗的自旋电子器件 拓扑绝缘体特性 拓扑绝缘体原理 晶格周期性势场中运动粒子的薛定谔方程： 布洛赫定理： 一、能带理论 二、导体和绝缘体的能带示意图 其中( a) 为导体, ( b) 为普通绝缘体, ( c) 为量子霍尔绝缘体, ( d) 为时间反演不变的拓扑绝缘体 图中黑色实线代表费米面, 虚线代表边缘态, 对于绝缘体来说, 费米面处在禁带之中。当样品有边界时, 禁带之间存在着受到拓扑保护的边缘态( 如( c) 和( d) ) , 这些边缘态连接体系的价带顶和导带底 三、整数量子霍尔效应 人们在研究强磁场中的二维电子气时, 发现它的横向霍尔电导在外磁场改变时会在e2 / h 的整数倍处出现平台 四、拓扑绝缘体的边缘态示意图 （a）破坏时间反演的整数霍尔系统 （b）时间反演不变的自旋霍尔绝缘体, 其中的灰色实线和灰色虚线是一对时间反演共轭对 拓扑绝缘体发展历程 1879年，Hall发现了霍尔效应 1980年，Von Klitzing在硅的金属一氧化物一半导体场效应管(MOSFET)中首次观测到整数量子霍尔效应(QHE） 2005年和2006年，Kane和张首晟等人分别预言，利用电子的自旋一轨道耦合，在零磁场下QSHE态即可实现，而实现它的体系，就是二维拓扑绝缘体 2006年，张首晟的研究组独立地提出了一种实现QSHE的一般理论，并预言了HgTe／CdTe超晶格结构可以实现QSHE 2007年，德国的Molenkamp研究组通过实验证实了这一理论预言。 2007年，Kane预言二元铋锑合金是一种三维拓扑绝缘体，称为强拓扑绝缘体 2008年，Hasan研究组利用角分辨光电子能谱(ARPES)研究了Bi1-xSbx。的表面态，证明了Bi1-xSbx是三维拓扑绝缘体 2009年，中国科学院物理研究所的方忠、戴希研究员与张首晟教授合作，预言了一类全新的拓扑绝缘体：Bi2Se3、Bi2Te3以及Sb2Te3．被称为第二代拓扑绝缘体 拓扑绝缘体的应用 拓扑绝缘体纳米材料的透明柔性导电薄膜，拓扑绝缘体(Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3)二维纳米材料的自旋分辨、 受时间反演对称保护的表面态、大的比表面积，赋予了拓扑绝缘体在宽波段、高性能光电器件(比如: 光探测器、太赫兹激光、波引导、透明电极)上的应用潜力 未来应用领域 低能耗和高速晶体管 自旋电子学器件 拓扑量子计算 基于拓扑磁电效应的磁存储器件 热电效应、催化与能源技术 多铁性质与应用探索 光学响应及非线性光学 拓扑绝缘体展望及瓶颈 展望： 通过研究其输运性质, 能够在实验上直接观测到拓扑绝缘体的表面金属态, 并探索其可能的实际应用前景 未来拓扑绝缘体材料在晶体管、存储设备以及磁性传感器等能耗效率高的产品领域均有很大的应用前景 在拓扑绝缘体薄膜中实现量子化反常霍尔效应 瓶颈： 寻找具有足够大的体能隙并