清华物理系与麻省理工合作在拓扑晶体绝缘体薄膜研究中取得突破性进展
清华新闻网3月31日电 威尼斯9499登录入口物理系段文晖教授课题组与美国麻省理工学院的傅亮教授、Jagadeesh Moodera教授等合作，结合能带结构计算低能有效理论（k·p模型）和拓扑能带分析等研究方法，在拓扑晶体绝缘体（topological crystalline insulator）薄膜研究中取得了突破性进展。日前在《自然 材料》(Nature Materials)上发表了题为Spin-filtered edge states with an electrically tunable gap in a two-dimensional topological crystalline insulator（二维拓扑晶体绝缘体中具有电场可调能隙且自旋过滤特性的拓扑边缘态）的研究论文。威尼斯9499登录入口物理系博士生刘军伟为论文第一作者，美国麻省理工学院傅亮教授为论文通讯作者。
三维拓扑晶体绝缘体是完全不同于拓扑绝缘体(topological insulator)的一种新型拓扑材料，其拓扑性质受到晶格对称性(crystal symmetry)而非时间反演对称性(time-reversal symmetry)保护。最近由理论预测可以在SnTe类的四六族半导体中实现由镜面对称性(mirror symmetry)保护的拓扑晶体绝缘体，并很快得到了美国、日本、瑞典和中国等不同地区的独立实验组的验证，进而成为凝聚态物理领域一个很重要的研究的方向。
左图为二维拓扑晶体绝缘体受镜面对称性保护的拓扑边缘态。右图为可以通过外加电场，打开边缘态的能隙，从而实现电场调控的拓扑边缘态，为实现拓扑晶体管提供了物理基础。
图为拓扑晶体管的原理示意图。
段文晖教授研究组与美国麻省理工学院傅亮教授等合作，首先将三维拓扑晶体绝缘体的概念推广到二维，提出了由镜面对称性保护的二维绝缘体的新型拓扑相，并证明这种新型的拓扑相可以在SnTe和Pbx Sn(1-x) Se(Te)（001）薄膜中实现。这种新型的拓扑材料，其体能带（bulk bands）具有能隙，但是在边缘上存在由（001）镜面对称性保护的具有自旋过滤(spin-filter)性质的边缘态(edge states)。更为重要的是，通过垂直于薄膜的电场，就可以破坏体系的镜面对称性，从而在边缘态上产生一个电场调控的能隙(electrically tunable gap)。利用这种奇异的特性，此研究提出了一种新型晶体管，称之为拓扑晶体管(topological transistor)。在这种晶体管中，电荷输运（charge transport）和自旋输运（spin transport）极大地纠缠在一起，并且可以被外加电场同时调控。由于拓扑晶体管的工作原理与传统晶体管的实现原理完全不同，其开/关状态并不需要实现n型电子和p型电子的复合，因而可以在拓扑晶体管中实现很高的开关速度(on/off speed)，同时具有很小的能耗。
该研究工作得到了国家自然科学基金和科技部973项目的资助。
供稿：物理系 学生编辑：长松
