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2012年03月26日

Science杂志发表上海交大拓扑绝缘体研究成果

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  最近,上海交大物理系贾金锋、钱冬研究组利用自身在薄膜制备技术和原位表征方面的优势,在拓扑绝缘体/超导体界面的研究方面取得了突破性进展。研究成果由上海交大物理系作为第一作者单位和通讯作者单位,即将在Science杂志发表,目前网站已先行发布(详细, Published Online March 15 2012)。该工作被Science审稿人评价为“材料科学的突破(a breakthrough)”和“巨大的实验成就(a tremendous experimental feat)”。

  上海交大贾金锋、钱冬研究组与清华大学薛其坤小组、浙江大学许祝安、中科院物理所马旭村、美国滨州州立大学刘荧以及斯坦福大学张首晟合作,在材料选取和薄膜生长方面进行了系统的研究,提出了新的思路,通过无数次实验的尝试,利用分子束外延手段首次成功地在超导衬底上生长出界面原子级清晰且电接触非常良好的拓扑绝缘体/超导异质结构。这种异质结构使得衬底的超导特性通过近邻效应被导入拓扑绝缘体薄膜中,成功地实现了超导电子对和拓扑表面态的共存。理论预言表明,在他们制备的这种体系中能够直接探测到Majorana费米子的存在。这一成果为探寻Majorana费米子提供了一个极具潜力的实验平台,也为进一步掌握和调控拓扑绝缘体的拓扑电子态找到了重要的突破口。

  拓扑绝缘体是一种具有奇异量子特性的新物质状态,为近年来物理学的重要科学热点及前沿之一。它完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”, 它是一种内部绝缘,界面允许电荷移动的材料。换句话说,拓扑绝缘体的体电子态是有能隙的绝缘体,而其表面则是无能隙的金属态。并且,它的表面态有着与众不同的特点,它完全是由材料的体电子态的拓扑结构所决定,是由对称性所决定的,与表面的具体结构无关。也正是因为该表面金属态的出现是由其对称性所决定的,所以他的存在非常稳定,基本不受到杂质与无序的影响。除此之外,拓扑绝缘体的基本性质是由“量子力学”和“相对论”共同作用的结果,由于自旋轨道耦合作用,这种电子运动的规律性,就如同高速公路上运动的汽车一样,正向与反向行驶的汽车分别走不同的道路,互不干扰。处于这样有序运动状态的电子不会相互碰撞,因此能耗很低。所以拓扑绝缘体不但对理解凝聚态物质基本物理有着重要意义,而且由于它所具有的这些迷人的特性,让人们对制造未来新型的计算机芯片等元器件充满了期待,并希望由此能引发未来电子技术的新一轮革命。

  更有意思的是通过拓扑绝缘体和常规超导体的结合,有可能产生Majorana费米子。所谓Majorana费米子是1937年Ettore Majorana提出的,它与电子、正电子完全不同,它的反粒子就是它本身。半个多世纪后的今天,寻找神秘的Majorana费米子仍然是现代物理的研究热点。高能物理学家正试图证明中微子(neutrino)是Majorana费米子。超对称理论(Super symmetric theories)更是预言光子等玻色子的Majorana ‘superpartner’是解开暗物质难题的关键。凝聚态物理学家则在不同的材料体系中热情地寻找着Majorana费米子,因为它不仅是一种新奇的量子态,而且在量子计算方面有很好的应用前景。理论学家已经提出了多个Majorana费米子可能存在的材料体系,拓扑绝缘体与超导体的界面就是有可能存在Majorana费米子的地方。近年来随着拓扑绝缘体的问世,国际上掀起了新一轮的在实验上追逐Majorana费米子的竞赛。

  中国物理学家在拓扑绝缘体的研究中起了非常重要的作用。拓扑绝缘体研究刚开始时,国际上实验探索主要使用块材单晶材料,人们尚未得到高质量的薄膜,然而对于器件应用,薄膜才是关键。2009年,清华大学薛其坤、贾金锋领导的实验组率先用分子束外延制备出了高质量的薄膜样品,并从实验上观察到了表面态和朗道能级。这方面的工作入选2010年度中国科学十大进展(排名首位),并因此获得2011年度求是杰出科技成就集体奖。目前国际上已经有多个研究组能够生长出高质量拓扑绝缘体薄膜,但由于界面反应和晶格适配等问题,拓扑绝缘体与超导体之间的高质量的界面非常难以制备。上海交大物理系贾金锋、钱冬研究组的研究成果,正是在这方面取得了突破性进展。

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