狭窄的二维拓扑绝缘体超导结中新奇的0-π态转变

边间耦合引起的边间背散射是赋予狭窄的二维拓扑绝缘体的重要特性,能够大大地丰富拓扑超导电子学.本文在考虑边间耦合的情况下,使用基于Bogoliubov-de Gennes(BdG)方程的理论方法,研究了由狭窄的二维拓扑绝缘体构成的Josephson结,其中两个相距长度为d的超导电极置于同一边上.结果发现,通过改变d总可以导致0-π态转变,同时这0-π态转变能反过来证明边缘态螺旋性的自旋结构.引起这个新奇的结果的机制源于边间背散射引诱了一个额外的π相移,不同于由两个超导电极间铁磁体夹层厚度变化所引起的传统的0-π态转变.此外,在0-π态转变点处存在相当大的Josephson临界电流残余值.因此,这些结果在超导电子学器件的设计中具有潜在的应用价值,譬如,高性能的超流开关.

二维拓扑绝缘体的扫描隧道显微镜研究

拓扑物态是近年来在凝聚态科学领域快速兴起的一个分支,其中二维拓扑绝缘体由于在基础研究和应用前景方面存在巨大潜力而受到广泛关注.二维拓扑绝缘体具有绝缘性体态和导电性边界态,其边界态受时间反演对称性保护,不会被边界弱无序杂质所背散射,从而形成无耗散的边界导电通道.由于边界态只能沿着两个方向传播,意味着比三维拓扑绝缘体有更少的散射通道和更强的稳定性,对发展低能耗的集成电路意义重大.在研究二维材料的诸多实验手段当中,扫描隧道显微镜具有高空间与高能量分辨率测量,能够局域地探测材料表面实空间的电子态结构,直接探测到二维材料的边界态,尤其适合表征其拓扑特性.本文追溯了二维拓扑绝缘体的研究背景,对当前广泛关注的几类研究体系,从谱学方面详细展现一维边界态的非平庸拓扑特性.结合理论计算证明:一维拓扑边界态局域于材料的体能隙之内,在晶体的边界处稳定存在,并表现出一定的空间延展性.最后介绍了通过结构和外场等手段对二维拓扑材料的物性进行调控,展望了在未来自旋功能电子器件方面潜在的应用.

二维高阶拓扑绝缘体拓扑相变以及光电导研究

我们研究了二维高阶拓扑绝缘体在面外磁化下的拓扑相变以及光电导行为。我们发现,不依赖于电子轨道的塞曼项不破坏系统的高阶拓扑性质以及角态的存在,但是不能产生非零的霍尔光电导。依赖于电子轨道的塞曼项可能带来新的拓扑相变,产生陈绝缘体相。拓扑相变点对应于光电导的峰值或跃变点。这些现象为我们利用光学手段表征和检测二维高阶拓扑绝缘相提供了新的可能性。

中科大拓扑绝缘体二维层状纳米材料Bi2Se3方面取得进展

最近，中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室和化学与材料科学学院教授曾杰研究组在拓扑绝缘体二维层状纳米材料Bi2Se3的结构设计、合成与生长机理研究方面取得新进展。研究人员对Bi2Se3晶体的成核及生长进行了动力学调控，通过引入螺旋位错首次实现了二维层状材料的螺旋生长，将材料由分立的层状转变成连续性的螺旋条带，从而获得了一种既不同于单层又有别于传统块体的新型纳米材料。

轴子拓扑绝缘体候选材料层状Eu_(1-x)Ca_(x)In_(2)As_(2)的物性研究

二维磁性材料的研究推动了现代纳米电子器件的发展.寻找本征的具有磁性的层状材料,为探索研究新的二维磁性材料、制备二维电子器件提供了重要的材料基础.近来,本征二维反铁磁拓扑材料的发现引起了人们的广泛关注和兴趣.EuIn_(2)As_(2)被预言是一种轴子拓扑绝缘材料,它具有典型的反铁磁序和层状的晶体结构,其潜在的多种拓扑量子效应可以为未来新型电子学器件提供新的发展思路.实验结果表明EuIn_(2)As_(2)处于金属态,而非绝缘态.本文通过掺杂Ca来调节体系的费米能级和磁性,发现Eu_(1-x)Ca_(2)As_(2)中仍然存在与母体类似的长程反铁磁的结果.反铁磁矩沿面内方向,符合理论预言的轴子态磁结构.在反铁磁转变温度以上发现了铁磁极化子.由此可见,非磁性杂质掺杂对体系的磁性影响不大,但是载流子浓度却降低了一个数量级,费米能级沿电子型方向进行调制.本文的研究为在二维磁性材料中探索和诱导非平庸拓扑态提供了重要信息.

二维类石墨烯晶体材料一单层锡

石墨烯成为近几年的热门新兴材料，科研人员在研究它的同时也开始关注二维类石墨烯的晶体材料上，这其中单层锡在室温下可能实现百之分百电导率的发现。令科研人员们眼前一亮，它不仅非常好的继承二维材料的特性，而且还具备一些石墨烯所不具备的物理特性，在电学，光学，声学，热学和力学领域都有着很大的应用前景。在不久前单层锡实验室制备的难题也被攻克。这也就标志这也许在不久的将来单层锡有可能成为替代石墨烯的又一新兴材料，它独特的物理注质也许会让它成为电子产业的中流砥柱。

基于界面效应的二维拓扑量子材料外延生长与调控研究进展

具有1T’结构相的单原胞层过渡金属硫族化合物是一类重要的二维拓扑量子材料,在拓扑量子计算和自旋电子学等领域有重要的应用前景。但是,大多数过渡金属硫族化合物的1T’结构相为非热力学稳定相,实验上获得其1T’结构相的单原胞层样品极其困难。以1T’-WSe2为代表,深入研究外延生长过程中界面效应对其1T’结构相稳定性的影响。以此为基础,通过增强的界面相互作用实现单一纯相1T’-WSe2单原胞层薄膜的外延生长。该方法可进一步推广到单一1T’结构相单原胞层WS2的外延生长,为人们进一步研究二维拓扑量子材料的基本物性、构筑基于二维拓扑量子材料的异质结构和新颖量子物态、实现基于二维拓扑量子材料的拓扑量子计算提供材料基础。

低维磁性拓扑绝缘体与拓扑半金属

磁性与拓扑性之间复杂的相互作用引起了越来越多的关注.磁性拓扑材料展示了多种新奇的物理效应,有望应用于未来低功耗高速自旋电子学器件.本文从量子霍尔效应出发,回顾了磁性拓扑材料,包括陈绝缘体、反铁磁拓扑绝缘体、磁性外尔半金属及其他磁性拓扑态等在理论与实验上的进展,并详细介绍了我们课题组最近几年在磁性拓扑材料方面的理论工作.这些工作不仅增进了对磁性拓扑态分类的理解,也提供了实验上可能实现的材料体系.

二维磁性拓扑材料:基础理论、材料实现及应用前景

在二维材料的研究中,二维磁性和非平庸拓扑能带成为研究焦点.最近,涌现出一类新型材料体系,被称为二维磁性拓扑材料.它们巧妙地将二维磁性与非平庸拓扑特性相结合,引起人们的广泛研究兴趣.特别是在二维尺度上已推出几种新型磁性拓扑态,如反铁磁拓扑绝缘体/半金属、磁性二阶拓扑绝缘体等.本综述全面分析了目前二维磁性拓扑材料领域的研究进展,包括各类二维磁性拓扑绝缘体、二维磁性拓扑半金属以及完全自旋极化二维拓扑半金属等;系统性地剖析了基础拓扑理论、发展历程、材料实现以及潜在应用.最后,讨论了该领域所面临的挑战与前景,强调了未来在这一引人注目的领域取得更大突破的可能途径.

二维Bi2Se3晶体对罗丹明6G分子的荧光猝灭效应研究

首次研究了拓扑绝缘体Bi2Se3二维晶体对其表面吸附的罗丹明6G分子的荧光猝灭效应,证明薄层Bi2Se3可以有效猝灭罗丹明6G分子的荧光,且随Bi2Se3二维晶体的厚度从单层增加到8层,荧光猝灭效应增强,并初步探讨了其荧光猝灭机理.

二维磁性材料的第一性原理计算

二维磁性材料具有低维体系独特的电子特性、丰富的可调控特性和优异的磁响应性质,在逻辑计算、信息存储等领域具有广阔的应用前景.自从实验上成功合成原子层厚度的具有本征磁性的二维层状材料CrGeTe3和CrI3以来,二维磁性材料得到了理论计算和实验上的广泛关注.第一性原理计算能够预言材料的结构和性质、辅助实验探索物理现象本质并可进一步设计具有优异性能的新材料.本文首先介绍了磁性材料的基础理论和第一性原理计算方法,接着结合四类典型的二维磁性材料介绍理论计算的研究进展,包括二维磁性绝缘体CrGeTe3和CrI3、二维磁性金属Fe3GeTe2、二维内禀磁性拓扑材料MnBi2Te4和二维高温量子反常霍尔绝缘体LiFeSe.最后对二维磁性材料的第一性原理研究的未来发展方向作了展望.

从理论模型到探究应用:二维材料锡烯的研发脉络

透过二维锡烯的研发脉络发现,2011年,中科院物理研究所的姚裕贵等从理论上对二维锡进行了研究,为其理论研究开启了先河。受助于已有类石墨烯二维材料的现有理论研究,二维锡的理论研究发展迅速,至2013年,美国斯坦福大学的张首晟等基于锡的拉丁文stannum和二维烯材料2D-Xene后缀组合正式提出了锡烯(Stanene)的概念,锡烯概念的确定标志着其理论研究的建制化。2015年,上海交通大学的贾金锋等利用分子束外延技术在Bi_(2)Te_(3)(111)衬底上首次成功地生长出了二维锡烯。二维锡烯的成功制备为锡烯的性质探究奠定了基础,随着锡烯的优异物化性质被逐步揭示,其在众多领域内都显出了良好的应用前景。二维锡烯的研发脉络重新诠释了二维材料的发展机制,为新型二维材料的预测、制备与应用提供了新的视角和思路。

H-Pb-Cl中可调控的巨型Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应

具有巨型Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应的材料在自旋电子器件应用中具有重要意义.基于第一性原理,提出一种可以将巨型Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应实现完美共存的二维(two dimension,2D)六角晶格材料H-Pb-Cl.由于系统空间反转对称性的破坏和本征电场的存在,H-Pb-Cl的电子能带中出现了巨型Rashba自旋劈裂现象(α_(R)=3.78 eV.A).此外,H-Pb-Cl的Rashba自旋劈裂是可以随双轴应力(-16%—16%)调控的.通过分析H-Pb-Cl的电子性质,发现在H-Pb-Cl费米面附近有一个巨大的带隙(1.31 eV),并且体系由于Pb原子的s-p轨道翻转使得拓扑不变量Z_(2)=1,这就表明H-Pb-Cl是一个具有巨大拓扑带隙的2D拓扑绝缘体.我们的研究为探索和实现Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应的共存提供了一种优良的潜在候选材料.

石墨烯新“表亲”铅烯问世

由第十四族元素构成的二维材料(又称石墨烯的“表亲”)近年来引起了极大关注,因为它们有着成为具有实用价值的拓扑绝缘体的独特潜力。

拓扑材料WTe_(2)的可控生长和物性调控

二维拓扑绝缘体由于具有受到拓扑保护的螺旋形(Helical)边缘态可以实现量子自旋霍尔效应;拓扑超导体由于具备满足非阿贝尔统计的马约拉纳(Majorana)零能模而成为实现拓扑量子计算的主要候选材料.WTe_(2)同时具备成为二维拓扑绝缘体和拓扑超导体的可能性.本文介绍利用分子束外延技术生长出单层1T′-WTe_(2),并利用扫描隧道显微镜/谱(STM/STS)揭示其半金属型的电子结构和拓扑边缘态的进展.通过衬底形变在1T′-WTe_(2)薄膜中引入应力作用,驱动了1T′-WTe_(2)的拓扑非平庸的全能隙绝缘相,从而实现真正意义的二维拓扑绝缘体.还利用碱金属插层的方法在体相Td-WTe_(2)中进行电子掺杂,实现了常压下的超导转变.XRD结构分析显示K原子插层对TdWTe_(2)晶格结构的影响可以忽略不计,表明超导态的WTe_(2)仍可能具有拓扑非平庸性质.