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首先將三維拓?fù)渚w絕緣體的概念推廣到二維

2014-04-14 12:27  來源:http://m.sustainablelifeonearth.com/  閱讀:

  清華消息網(wǎng)3月31日電 清華大學(xué)物理系段文暉傳授課題組與美國麻省理工學(xué)院的傅亮教授、Jagadeesh Moodera教授等協(xié)作,聯(lián)合能帶構(gòu)造盤算低能有效實(shí)踐(k·p模型)跟拓?fù)淠軒饰龅妊芯糠绞,在拓(fù)渚w絕緣體(topological crystalline insulator)薄膜研究中取得了打破性進(jìn)展。日前在《天然 資料》(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?fù)渚w絕緣體中存在電場可調(diào)能隙且自旋過濾特征的拓?fù)溥呇貞B(tài))的研究論文。清華大學(xué)物理系博士生劉軍偉為論文第一作者,美國麻省理工學(xué)院傅亮教學(xué)為論文通信作者。

供稿:物理系 學(xué)生編纂:長松

左圖為二維拓?fù)渚w絕緣體受鏡面對稱性保護(hù)的拓?fù)溥吘墤B(tài)。右圖為可以通過外加電場,翻開邊緣態(tài)的能隙,從而實(shí)現(xiàn)電場調(diào)控的拓?fù)溥吘墤B(tài),為實(shí)現(xiàn)拓?fù)渚w管供給了物理基本。

  該研究工作得到了國度做作迷信基金和科技部973項(xiàng)目標(biāo)贊助。

  段文暉教授研究組與美國麻省理工學(xué)院傅亮教授等合作,首先將三維拓?fù)渚w絕緣體的概念推廣到二維,提出了由鏡面對稱性保護(hù)的二維絕緣體的新型拓?fù)湎啵⒆C實(shí)這種新型的拓?fù)湎嗫梢栽赟nTe和Pbx Sn(1-x) Se(Te)(001)薄膜中實(shí)現(xiàn)。這種新型的拓?fù)洳牧,其體能帶(bulk bands)擁有能隙,管理寶典,然而在邊緣上存在由(001)鏡面對稱性保護(hù)的具有自旋過濾(spin-filter)性質(zhì)的邊緣態(tài)(edge states)。更為重要的是,通過垂直于薄膜的電場,就可以損壞系統(tǒng)的鏡面對稱性,從而在邊緣態(tài)上發(fā)生一個(gè)電場調(diào)控的能隙(electrically tunable gap)。應(yīng)用這種奇怪的特性,此研究提出了一種新型晶體管,稱之為拓?fù)渚w管(topological transistor)。在這種晶體管中,電荷輸運(yùn)(charge transport)和自旋輸運(yùn)(spin transport)極大地糾纏在一起,并且可以被外加電場同時(shí)調(diào)控。因?yàn)橥負(fù)渚w管的工作原理與傳統(tǒng)晶體管的實(shí)現(xiàn)原理完全不同,其開/關(guān)狀況并不須要實(shí)現(xiàn)n型電子和p型電子的復(fù)合,因此可以在拓?fù)渚w管中實(shí)現(xiàn)很高的開關(guān)速度(on/off speed),同時(shí)具備很小的能耗。

  三維拓?fù)渚w絕緣體是完整不同于拓?fù)浣^緣體(topological insulator)的一種新型拓?fù)洳牧,其拓(fù)湫再|(zhì)受到晶格對稱性(crystal symmetry)而非時(shí)光反演對稱性(time-reversal symmetry)掩護(hù)。最近由理論猜測能夠在SnTe類的四六族半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)由鏡面對稱性(mirror symmetry)維護(hù)的拓?fù)渚w絕緣體,并很快得到了美國、日本、瑞典和中國等不同地域的獨(dú)破試驗(yàn)組的驗(yàn)證,進(jìn)而成為凝集態(tài)物理范疇一個(gè)很主要的研究的方向。

清華物理系與麻省理工配合在拓?fù)渚w絕緣體薄膜研討中獲得沖破性進(jìn)展

圖為拓?fù)渚w管的原理示用意。

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