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進展   拓撲絕緣體中的電子局域化研究
進展 拓撲絕緣體中的電子局域化研究
中科院物理所     阅读简体中文版

  安德森局域化是指波在無序介質中不能傳播的行為。自1958年P. W. Anderson提出這一概念以來,它已深刻地影響了人類對導電現象,或更寬泛地說,各種波(如電子波、微波、光波、聲波等)在凝聚態體系甚至是冷原子體系中傳播行為的理解。1979年Abrahams等人發展的標度理論又進一步深化了我們對電子系統中的局域化和金屬-絕緣體轉變的認識,弱局域和反弱局域等重要概念相繼被提出和實驗驗證。三十多年來,無序和電子局域化一直是凝聚態物理研究的一個重要主題。
  近年來被發現的三維拓撲絕緣體為研究電子局域化提供了一個有價值的新體系。三維拓撲絕緣體內部絕緣,但表面態是一個獨特的二維電子系統,具有線性色散和自旋-動量鎖定等特征。與傳統的拓撲平庸的二維電子系統不同,理論預言三維拓撲絕緣體的表面態電子不會被局域化,在電子輸運上表現為反弱局域行為。但有趣的是,當三維拓撲絕緣體薄膜的厚度很小(一般是幾納米)時,上下表面由于波函數雜化在狄拉克點附近打開一個能隙,理論預言這會導致從三維拓撲絕緣體到二維拓撲絕緣體或拓撲平庸絕緣體的轉變,在電子輸運上可能產生量子自旋霍爾效應、反弱局域-弱局域轉變和金屬-絕緣體轉變等豐富的物理現象。但迄今為止,上述預言還缺乏明確的實驗支持。
  最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)納米物理與器件重點實驗室的李永慶研究組(N08組)、清華大學物理系/低維物理國家重點實驗室薛其坤-何珂研究組和中科院物理所表面物理國家重點實驗室的吳克輝研究組(SF9組)通過合作,利用他們在拓撲絕緣體薄膜生長、器件制備、柵壓調控和輸運測量方面的多年實驗積累,在超薄拓撲絕緣體薄膜中成功地觀察到電子輸運從反弱局域情況下的擴散型轉變為強局域(即安德森局域化)情況下的變程躍遷型。他們還發現,隨著樣品電阻率(無序程度)的提高,反弱局域導致的負磁電導(即正磁阻)逐漸被抑制,并在強局域情形下轉變為正磁電導(負磁阻)。這些結果揭示出無序在拓撲絕緣體輸運性質中所起的至關重要的作用,并可為進一步研究超薄膜中的拓撲量子相變提供有價值的參考。
  承担此項研究工作的博士研究生主要有中科院物理所的廖劍、歐云波和清華大學的馮硝。此項工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重大基礎研究(973)計劃和中國科學院先導B類專項等項目的支持。該工作發表于近期的Physical Review Letters 114, 216601 (2015).

圖解:左上圖為調控和測量拓撲絕緣體薄膜輸運性質的器件示意圖,右上圖展示在超薄膜中由于上下表面耦合在狄拉克點附近有能隙產生。下圖為一組電阻-溫度關系:當無序逐漸增強時,溫度依賴關系由對數型轉變為指數型,這說明電子輸運由反弱局域情況下的擴散型轉變為強局域條件下的變程躍遷型。引自J. Liao et al., PRL 114, 216601 (2015).



2015-08-23 08:55

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