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拓扑绝缘体简介拓扑绝缘体是凝聚态物理学中的革命性发现。这种奇特材料内部绝缘,表面却呈现出独特的导电性质。本课件将详细介绍拓扑绝缘体的基本概念、物理特性、研究进展及应用前景。作者:
什么是拓扑绝缘体?1新型量子材料拓扑绝缘体是体态绝缘、表面态导电的新型量子材料,代表物理学前沿研究方向。2诺贝尔物理学奖2016年诺贝尔物理学奖授予拓扑相变和拓扑相的理论开创者,肯定了该领域的重要性。3独特电子结构表面电子呈现出自旋-动量锁定特性,抑制了电子散射,提高了导电性能。
拓扑绝缘体的发现历程11980年冯·克利青发现量子霍尔效应,为拓扑绝缘体理论奠定基础。22005年科学家理论预言二维拓扑绝缘体存在,引发物理学界广泛关注。32007年德国物理学家实验发现二维拓扑绝缘体,证实了理论预言。42008年后三维拓扑绝缘体被发现,相关研究迅速发展,应用前景日益广阔。
拓扑绝缘体的基本特性体态绝缘内部表现为绝缘体,电子无法自由移动,体态电导率极低。表面态金属性表面呈金属性导电,电子可沿表面自由移动。自旋-动量锁定电子自旋方向与其运动方向严格耦合,形成独特输运特性。
拓扑绝缘体的能带结构体态能带内部呈现能隙,类似普通绝缘体。电子需要获得足够能量才能跃迁到导带。表面狄拉克锥表面态能带呈现锥形结构,类似石墨烯。电子表现为无质量狄拉克费米子。
拓扑绝缘体的表面态线性色散关系表面电子能量与动量呈线性关系,形成狄拉克锥结构。1自旋极化电子自旋与运动方向垂直,形成自旋极化电流。2抑制背散射时间反演对称性保护,抑制电子背向散射,提高导电性。3拓扑绝缘体表面态是其最独特的物理特性,表面电子的行为与普通金属截然不同。这些特性源于强自旋-轨道耦合和时间反演对称性保护。
拓扑不变量Z2拓扑不变量描述系统拓扑性质的数学指标,取值为0或1,区分普通绝缘体和拓扑绝缘体。能带反转强自旋-轨道耦合导致价带和导带反转,是形成非平庸拓扑相的关键。拓扑保护拓扑不变量对局部微扰具有稳定性,保证表面态的鲁棒性。
二维拓扑绝缘体量子自旋霍尔效应二维拓扑绝缘体的标志性现象,边缘出现自旋极化的量子化电导。HgTe/CdTe量子阱首个实验实现的二维拓扑绝缘体系统,证实了量子自旋霍尔效应。边缘态边缘出现一对反向传播的自旋极化态,形成无耗散边缘传输。
三维拓扑绝缘体1代表材料Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3是最典型的三维拓扑绝缘体材料。2表面狄拉克锥角分辨光电子能谱(ARPES)清晰观测到表面狄拉克锥结构。3大体能隙Bi2Se3的体能隙可达0.3eV,有望实现室温应用。
拓扑绝缘体的实验表征角分辨光电子能谱直接探测表面态电子结构,观测狄拉克锥。扫描隧道显微镜观测表面原子结构和局域电子态密度。量子输运测量测量电导、霍尔效应等输运特性。
自旋-轨道耦合1能带反转导致拓扑相变2重元素作用增强耦合强度3拉什巴效应界面自旋分裂4自旋-轨道耦合电子自旋与轨道运动相互作用自旋-轨道耦合是形成拓扑绝缘体的核心物理机制。在重元素材料中,强自旋-轨道耦合导致能带反转,形成非平庸拓扑相。这种耦合影响电子在材料中的行为,使表面态呈现出独特的自旋-动量锁定特性。
时间反演对称性克拉默斯简并时间反演对称性保证每个动量k处存在简并的自旋向上和自旋向下状态。保护表面态时间反演对称性保护表面态免受非磁性杂质和缺陷散射的影响。磁场破坏外加磁场破坏时间反演对称性,导致表面态能隙打开。
拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应磁性掺杂通过掺入Cr、V等磁性元素,破坏时间反演对称性,实现量子反常霍尔态。量子化霍尔电导零磁场下展现精确量子化的霍尔电导,值为e2/h。无耗散边缘传输边缘单向传播通道无背散射,实现无耗散电子传输。
拓扑绝缘体薄膜1稳定拓扑态厚度大于临界值2量子限制效应能级量子化3上下表面隧穿能隙打开4二维拓扑绝缘体极限情况拓扑绝缘体薄膜的性质强烈依赖于其厚度。当薄膜厚度减小到一定程度时,上下表面态之间的隧穿作用变得显著,导致表面态能隙打开。
拓扑晶体绝缘体拓扑晶体绝缘体是一类由晶体对称性而非时间反演对称性保护的拓扑态。代表材料包括SnTe、Pb1-xSnxTe等。这类材料在镜面对称面上展现多重狄拉克锥结构,具有丰富的物理性质和潜在应用。
维尔半金属维尔点费米能级附近的三维动量空间中存在的能带交叉点,表现为手性费米子。拓扑相变维尔半金属可视为拓扑绝缘体与普通绝缘体之间的临界态。费米弧表面存在连接体态维尔点投影的特殊费米弧状态。
磁性拓扑绝缘体磁性掺杂通过Cr、V、Mn等元素掺杂引入磁性。1时间反演对称性破缺磁矩排列打破时间反演对称性。2轴子绝缘体相表面态能隙打开,实现轴子绝缘体态。3量子反常霍尔效应展现无外加磁场的量子化霍尔电导。4
超导拓扑绝缘体近邻效应超导体与拓扑绝缘体接触,诱导表面态超导。马约拉纳费米子在涡旋中心可能实现马约拉纳零能模,
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