拓扑绝缘体-薛其坤学术报告_精品文档.pdf

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河南师范大学，河南师范大学，2012年年05月月11日日薛其坤清华大学物理系薛其坤清华大学物理系拓扑绝缘体：

一种新的量子材料拓扑绝缘体：

一种新的量子材料MBEGrowthandSTM/ARPESStudy研究生研究生:

李耀义王广张童张翼宋灿立程鹏朱燮刚常翠祖王以林蒋烨平文竞毛寒青李志张文号李渭李耀义王广张童张翼宋灿立程鹏朱燮刚常翠祖王以林蒋烨平文竞毛寒青李志张文号李渭致谢致谢方忠戴希谢心澄方忠戴希谢心澄（物理研究所/北京大学）（物理研究所/北京大学）张首晟祁晓亮张首晟祁晓亮（斯坦福大学/清华大学）（斯坦福大学/清华大学）沈顺清沈顺清（香港大学）（香港大学）张绳百张绳百（伦斯勒理工学院）（伦斯勒理工学院）牛谦牛谦（德州大学奥斯汀分校/北京大学）（德州大学奥斯汀分校/北京大学）刘荧刘荧（宾州大学）（宾州大学）刘朝星刘朝星（乌兹堡大学）（乌兹堡大学）王亚愚朱邦芬王亚愚朱邦芬（清华大学）清华大学（清华大学）清华大学:

陈曦贾金锋陈曦贾金锋（上海交大）物理所（上海交大）物理所:

马旭村何柯王立莉马旭村何柯王立莉合作者:

合作者:

科技部、基金委科技部、基金委OUTLINE1.拓扑绝缘体简介拓扑绝缘体简介2.拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长（MBE）及电子结构及电子结构（Bi2Te3/Bi2Se3/Sb2Te3）3.扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STM）研究研究4.最新进展最新进展5.展望展望CanMooreslawkeepgoing?

01002003004005000.50.350.250.180.130.10.070.05ActivePowerPassivePower（DeviceLeakage）35025018013010070505005004003002001000Technologynode（nm）Powerdensity（W/cm）2Powerdissipation=greatestobstacleforMooreslaw!

Modernprocessorchipsconsume100Wofpowerofwhichabout20%iswastedinleakagethroughthetransistorgates.Thetraditionalmeansofcopingwithincreasedpowerpergenerationhasbeentoscaledowntheoperatingvoltageofthechipbutvoltagesarereachinglimitsduetothermalfluctuationeffects.Trafficjaminsidechipstoday微电子学、集成电路发展的瓶颈微电子学、集成电路发展的瓶颈电子运动过程中受到的散射：

电子运动过程中受到的散射：

芯片发热、速度慢芯片发热、速度慢Infohighwayforchipsinthefuture未来信息高速公路未来信息高速公路自从近100年前超导量子态被发现以来的一种新的量子态自从近100年前超导量子态被发现以来的一种新的量子态拓扑量子态拓扑量子态（拓扑绝缘体）（拓扑绝缘体）ConductorInsulator材料的分类:

能带理论材料的分类:

能带理论（固体物理的能带论固体物理的能带论）Topology（拓扑学拓扑学）拓扑学是近代发展起来的一个研究连续性现象的数学分支。

拓扑学主要研究几何图形在连续变换下的不变性质和不变量。

g=0g=1foodtoolg=1g=2g=3g=0自由电子自由电子（m,e）：

E=1/2mV2固体材料中的电子固体材料中的电子（e,m#）：

近自由电子近似：

近自由电子近似：

E=（K）2/2m#EK2抛物线型的能量色散关系抛物线型的能量色散关系ValenceBandConductionBandValenceBandConductionBand一般绝缘体一般绝缘体SpinupSpindownEK2拓扑绝缘体拓扑绝缘体圆锥形圆锥形“bandtwisting”StrongspinorbitcouplingConductorInsulatorTopologicalInsulatorInsulating（bulk）conducting（surface）Spin-OrbitalCoupling材料的分类（新）:

拓扑能带理论材料的分类（新）:

拓扑能带理论g=1g=2g=3g=0对拓扑绝缘体来讲，其性质与其能带拓扑结构有关，与具体细节无关。

对拓扑绝缘体来讲，其性质与其能带拓扑结构有关，与具体细节无关。

EK的意义？

光：

的意义？

光：

Ecp（p=k）无质量的狄拉克费米子无质量的狄拉克费米子Graphene:

DiracFermionsin2DpcE=石墨烯的电子结构石墨烯的电子结构MasslessDiracFermionsEffectivespeedoflightvFc/300.pcE=FkvE?

=kxkyEnergyEgSemiconductorBandStructure*222mkE?

=二维无质量的狄拉克费米体系！

二维无质量的狄拉克费米体系！

GrapheneTIGrapheneKleinParadox2DEGwithoutmassLinearnE，LinearE，LinearmEpsudospinKleinParadoxLinearnE，LinearE，LinearmELocalization？

Universal？

TwoinequivalentmasslessDiracpointsforeachspinorientation,intotalfourcopiesofmasslessDiracfermionsOddnumberofmasslessDiracfermionsKKSpin=1/2+E?

量子力学预期了“自旋”狭义相对论预期了“自旋轨道耦合”量子力学预期了“自旋”狭义相对论预期了“自旋轨道耦合”量子力学和狭义相对论量子力学和狭义相对论HelicalSpinStructureof2DMasslessDiracFermionsFourseasonsinadayOnenightinayearkxkyEQiandZhang,Phys.Today（2010）HasanandKane,Rev.Mod.Phys.（2010）Moore,Nature464,194（2010）MomentumSpaceInfohighwayforchipsinthefutureRealSpaceSpintronics?

1.未来的应用1.未来的应用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后摩尔时代的信息技术？

后摩尔时代的信息技术？

前沿科学研究前沿科学研究量子反常霍尔效应/自旋霍尔效应磁单极量子反常霍尔效应/自旋霍尔效应磁单极Majorana费米子分数量子统计费米子分数量子统计（Anyon）拓扑磁性绝缘体拓扑磁性绝缘体Axion研究研究Darkmatteronyourdesktop?

Wilczek,Nature458,129（2009）物质反物质物质反物质（CP不对称不对称）暗物质暗物质（轴子）（轴子）标准模型标准模型张首晟、祁晓亮等张首晟、祁晓亮等Science323,1184（2009）磁单极磁单极（磁荷磁荷）|12=|21|12=ei|21整数量子统计分数量子统计整数量子统计分数量子统计（anyon）电荷磁荷任意子电荷磁荷任意子（anyon）Majorana费米子费米子费米子：

粒子反粒子费米子：

粒子反粒子EttoreMajorana1937年提出年提出量子计算：

量子计算：

满足非阿贝尔统计的拓扑准粒子进行位置交换操作满足非阿贝尔统计的拓扑准粒子进行位置交换操作2DTI:

自旋量子霍尔效应自旋量子霍尔效应inHgTeQW（张首晟张首晟Science2006;MolenkampScience2007）5.15.25.35.45.55.65.75.85.96.06.16.26.36.46.56.61.01.50.50.0-0.52.02.53.03.54.04.55.06.05.5（atroomtemperatureinzincblendestructure）adgapeegy（eV）latticeconstanta臸臸0正常绝缘体正常绝缘体5.15.25.35.45.55.65.75.85.96.06.16.26.36.46.56.61.01.50.50.0-0.52.02.53.03.54.04.55.06.05.5（atroomtemperatureinzincblendestructure）adgapeegy（eV）latticeconstanta臸臸0拓扑绝缘体拓扑绝缘体Science杂志：

杂志：

2007年十大科学进展年十大科学进展Zhangetal.,Nat.Phys.5,438（2009）Strong3DTopologicalInsulatorsXiaetal.,Nat.Phys.5,398（2009）Sb2Te3Bi2Te3Bi2Se3Bi2Se3=0.36eVDefects:

InterstitialimpuritiesSubstitutionalimpuritiesSe/BivacanciesBi2Se3（Bi2Te3/Sb2Te3）Singlecrystals1QLTopView4.38SeBiSeBiSeSeBiSeBiSeSideView1.0nmSe（111）surfacecleaving（stoichiometric）Science2009NovelElectronicStructureof3DTIBi2Te3Fisher（Stanford）Bi2Se3Cava（Princeton）DiracConeNat.Phys.2009Shen（Stanford）Hasan（Princeton）Bulkisn-typeconductorValenceBandConductionBandEFGaN:

p-dopingGaN/ZnO:

highbackgroundcarrierdensity（N-type）Amanoetal.,JJAP28,L2112（1989）Nakamuraetal.,APL64,1687（1994）ZnO:

bulkinsulating?

N2O2Se2（4）GaZnBiHighVaporPressureOO:

142kJ/molNN:

167kJ/molSeSe:

172kJ/molBi2Se3:

bulkinsulating?

ValenceBandO,SevacanciesConductionBandEF

（2）BulkInsulatingMaterialdifficult

（1）SelffluxMethodforCrystalGrowthSi,GaAs,SapphireThinFilmsbyMBEandMOCVD?

OUTLINE1.拓扑绝缘体简介拓扑绝缘体简介2.拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长（MBE）及电子结构及电子结构（Bi2Te3/Bi2Se3/Sb2Te3）3.扫描隧道显微镜扫描隧道