一、拓?fù)浣^緣體簡(jiǎn)介

按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同，材料可分為“金屬”和“絕緣體”兩大類；而更進(jìn)一步，根據(jù)電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)的不同，“絕緣體”和“金屬”還可以進(jìn)行更細(xì)致的劃分。拓?fù)浣^緣體就是根據(jù)這樣的新標(biāo)準(zhǔn)而劃分的區(qū)別于其他普通絕緣體的一類絕緣體。因而，拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)與人們通常認(rèn)識(shí)的絕緣體一樣，是絕緣的，但是在它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)，這是它有別于普通絕緣體的最獨(dú)特的性質(zhì)。這樣的導(dǎo)電邊緣態(tài)是穩(wěn)定存在的，且不同自旋的導(dǎo)電電子的運(yùn)動(dòng)方向是相反的，所以信息的傳遞可以通過電子的自旋，而不像傳統(tǒng)材料通過電荷，不涉及耗散過程，通俗地說就是不會(huì)發(fā)熱，這一發(fā)現(xiàn)讓人們對(duì)制造未來新型電腦芯片等元器件充滿了希望。

圖：金屬、絕緣體和拓?fù)浣^緣體的關(guān)系

最早發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣^緣體狀態(tài)，可以追溯到20多年前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)分別獲得1985年和1998年兩度Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)，開創(chuàng)了凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)新紀(jì)元。但由于這種效應(yīng)需要滿足強(qiáng)磁場(chǎng)和低溫這兩個(gè)條件，不利于推廣應(yīng)用。直到2005年，人們才發(fā)現(xiàn)不需要強(qiáng)磁場(chǎng)和低溫條件，僅僅依靠任何材料都具有的自旋軌道耦合效應(yīng)，就可以實(shí)現(xiàn)類似于量子霍爾效應(yīng)中的電子態(tài)，即量子自旋霍爾效應(yīng)態(tài)或拓?fù)浣^緣體態(tài)。這立刻引起了全球科學(xué)家界的重大關(guān)注。摩爾定律認(rèn)為，由于技術(shù)的進(jìn)步，每過18個(gè)月，集成電路上可容納的晶體管的數(shù)目會(huì)翻一番，性能也將提高一倍。隨著晶體管越小越密集，發(fā)熱問題也就會(huì)越突出，因此許多人預(yù)言摩爾定律將于2015年失效。而拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)將可能解決這個(gè)問題，從而引發(fā)未來電子技術(shù)的新一輪革命。2006年，美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)家提出，在碲化汞量子阱體系中可能存在無需磁場(chǎng)而由本征材料能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拓?fù)浣^緣態(tài)，而這種特殊的拓?fù)浣^緣體態(tài)將引起非常有趣的“量子自旋霍爾效應(yīng)”，該效應(yīng)入選科學(xué)評(píng)出的2007年十大科學(xué)突破并列第二位。

圖：拓?fù)浣^緣體的發(fā)展

二、研究進(jìn)展

在拓?fù)浣^緣體材料研究工作中，物理所在拓?fù)浣^緣體的理論預(yù)言、材料制備、機(jī)理研究等各方面均做出突破性工作，取得系列成果，受到世界的關(guān)注。物理所的系列研究成果多次發(fā)表在過國際知名雜志上，并多次得到雜志的編輯推薦，成為封面文章，為拓?fù)浣^緣材料的發(fā)展做出了開拓性的貢獻(xiàn)。

理論研究與預(yù)言：

圖：通過第一性原理計(jì)算得到的拓?fù)浣^緣體的特殊表面態(tài)（上）及其電子自旋分布（下）。預(yù)言了一類新的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體材料系統(tǒng)（Bi₂Se₃, Bi₂Te₃ 和Sb₂Te₃），這是最簡(jiǎn)單的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，便于理論模型研究，同時(shí)非常穩(wěn)定且容易合成，有可能會(huì)成為實(shí)現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子學(xué)器件。本工作于2009年發(fā)表在著名科學(xué)雜志自然的子刊自然物理（Nature Physics）。

圖：half-Heusler化合物L(fēng)aPtBi的晶體結(jié)構(gòu)。在第一性原理程序中首次實(shí)現(xiàn)了拓?fù)洳蛔兞縕2的普適計(jì)算，進(jìn)而可以直接判斷一個(gè)材料是否為拓?fù)浣^緣體。這個(gè)計(jì)算方法適用于包括空間反演破缺的體系，將成為尋找拓?fù)浣^緣體新材料的強(qiáng)有力工具。利用這個(gè)有力工具，以LaPtBi原型，成功預(yù)言了在half-Heusler三元化合物家族中存在著大量拓?fù)浣^緣體材料。本工作發(fā)表在2010年的Physical Review Letter上。另外還預(yù)測(cè)黃銅礦體系中存在著大量拓?fù)浣^緣體材料。

圖：理論計(jì)算顯示NaCoO₂的表面態(tài)具有與拓?fù)浣^緣體表面態(tài)類似的電子自旋分布，與s波超導(dǎo)體一起可以在界面實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算打下材料基礎(chǔ)。本工作于2011年以Rapid Communication形式發(fā)表在Physical Review B雜志上，并被選為編輯推薦的文章。

拓?fù)浣^緣體的制備與機(jī)理研究

圖：發(fā)現(xiàn)在拓?fù)浣^緣體材料（Bi₂Se₃, Bi₂Te₃ and Sb₂Te₃）的薄膜中通過摻雜過渡金屬元素（Cr 或者 Fe）可以實(shí)現(xiàn)量子化的反?；魻栃?yīng)。這里最關(guān)鍵的問題是通過磁性摻雜，借助Van Vleck順磁性，可以實(shí)現(xiàn)磁性的拓?fù)浣^緣體，磁性居里溫度可以達(dá)到70K的量級(jí)。通過第一性原理計(jì)算和理論分析，發(fā)現(xiàn)這一磁性原子摻雜體系與一般的稀磁半導(dǎo)體有明顯的不同，這里不需要有載流子，體系仍然保持著絕緣體的狀態(tài)，且可以實(shí)現(xiàn)鐵磁的長程有序態(tài)。而且由于薄膜中摻雜原子的自旋極化與強(qiáng)烈的自旋-軌道耦合，在這一體系中無需外加磁場(chǎng)，也無需相應(yīng)的朗道能級(jí)，在適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)摻雜濃度和溫度下，就可以觀察到量子化的反常霍爾效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)為低能量耗散的新型電子器件設(shè)計(jì)指出了一個(gè)新的發(fā)展方向。本工作于2010年發(fā)表在國際著名雜志《科學(xué)》上。

圖：理論計(jì)算預(yù)言HgCr₂Se₄處于鐵磁性“陳半金屬”態(tài)（左上），其表面態(tài)具有兩段費(fèi)米?。ㄓ疑希?。非磁性Na₃Bi處于“狄拉克半金屬”態(tài)，其表面同時(shí)具有體狄拉克錐和表面狄拉克錐形電子色散關(guān)系（左下），費(fèi)米面由兩段半圓形費(fèi)米?。ㄓ蚁拢┙M成，且具有不同于拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的自旋分布。相關(guān)成果于2011年發(fā)表在物理學(xué)著名雜志Physical Review Letters上，該文章發(fā)表后，引起了編輯部的濃厚興趣，他們專門約稿在Physics雜志上同步刊登了介紹文章，向讀者重點(diǎn)推薦該工作，同時(shí)該文也被PRL編輯部評(píng)為當(dāng)期的編輯推薦文章。

圖11：利用分子束外延（MBE）技術(shù)，成功制備出了原子級(jí)平整、低缺陷密度的高質(zhì)量三維拓?fù)浣^緣體薄膜，并且通過對(duì)薄膜層厚、襯底和生長條件的選擇，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)勢(shì)的人工控制。這為拓?fù)浣^緣體的研究和應(yīng)用打下了很好的材料基礎(chǔ)。圖為使用MBE方法制備的50納米厚的Bi₂Se₃薄膜的高能電子衍射圖（a）、STM形貌圖（b）和ARPES譜（c），顯示出薄膜具有很高的質(zhì)量。（d）不同厚度薄膜的垂直方向光電子發(fā)射譜，顯示出量子阱態(tài)隨每一個(gè)QL的移動(dòng)，證明了薄膜的逐層生長。

圖：利用ARPES技術(shù)，系統(tǒng)研究了Bi₂Se₃從厚度僅一個(gè)QL到幾百Q(mào)L的電子結(jié)構(gòu)的演化。表明在三維拓?fù)浣^緣體薄膜的界面一側(cè)確實(shí)存在一個(gè)與表面態(tài)類似的Dirac表面態(tài)，并且利用外加電壓人們可以操縱這種材料的電子自旋，這對(duì)發(fā)展新的自旋電子器件具有指導(dǎo)意義。三維拓?fù)浣^緣體的量子薄膜的成功制備也為理論預(yù)言的量子反?；魻栃?yīng)、巨大的熱電效應(yīng)、激子凝聚等效應(yīng)的研究提供了基礎(chǔ)。此圖和上圖的成果于2010年發(fā)表在著名科學(xué)雜志自然的子刊Nature Physics上，并被Nature China進(jìn)行了報(bào)導(dǎo)。

圖：通過掃描隧道顯微鏡以及隧道譜(STM/STS)的觀測(cè)，研究了該材料中的缺陷類型并確定主要缺陷。通過精確控制生長動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Sb₂Te₃薄膜中缺陷的濃度以及類型的有效控制。進(jìn)一步結(jié)合襯底的n型摻雜效應(yīng)，他們實(shí)現(xiàn)了對(duì)Sb₂Te₃薄膜的費(fèi)米面在整個(gè)體能隙范圍內(nèi)的有效調(diào)節(jié)(圖g)，特別是其費(fèi)米面能夠穿過狄拉克點(diǎn)達(dá)到表面態(tài)電荷中性點(diǎn)。(a)-(f) Sb₂Te₃薄膜中主要缺陷的STM高分辨圖以及在晶格中的占位。(g)優(yōu)化生長后薄膜中狄拉克點(diǎn)相對(duì)費(fèi)米面的位置隨層厚的變化關(guān)系。該成果發(fā)表在2011年出版的物理學(xué)著名雜志Physical Review Letters上。

圖：通過對(duì)Sb₂Te₃薄膜中朗道能級(jí)的系統(tǒng)研究(圖c)，首次證實(shí)了Sb₂Te₃表面態(tài)的準(zhǔn)粒子壽命幾乎不受本征替代缺陷的影響，只受電子相互作用影響(圖e)。這是由于拓?fù)浔砻鎽B(tài)電子不同于普通導(dǎo)體中的載流子，具有獨(dú)特的螺旋自旋結(jié)構(gòu)。同時(shí)，他們證實(shí)了Sb₂Te₃表面態(tài)具有接近完美的線性色散關(guān)系(圖d)，并確定其作為三維拓?fù)浣^緣體的厚度極限為4層。這些特點(diǎn)表明，Sb₂Te₃是一種研究和實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體許多奇特現(xiàn)象的理想材料。該成果發(fā)表在2011年出版的物理學(xué)著名雜志Physical Review Letters上。

圖：(Bi_1-xSb)₂Te₃薄膜隨x變化的角分辨光電子能譜。隨著Sb含量的增加，表面態(tài)的狄拉克點(diǎn)逐漸脫離體價(jià)帶。利用Sb₂Te₃與Bi₂Te₃具有不同的能帶結(jié)構(gòu)和摻雜特性，還成功生長了不同組分的(Bi_1-xSb)₂Te₃三元合金薄膜來調(diào)節(jié)其性質(zhì)。ARPES譜和輸運(yùn)測(cè)量研究表明，通過控制三元合金薄膜中Bi/ Sb的比例，其表面態(tài)能帶結(jié)構(gòu)可以從空穴型轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有?圖3)，而狄拉克點(diǎn)可以從價(jià)帶頂以下（Bi₂Te₃）提升到體能隙中。這種能帶和化學(xué)勢(shì)的調(diào)控技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)理想的本征拓?fù)浣^緣體，而且可能對(duì)表面態(tài)的量子輸運(yùn)研究和器件應(yīng)用產(chǎn)生重要的促進(jìn)作用。相關(guān)成果于2011年發(fā)表在著名科學(xué)雜志自然的子刊Nature Communications上

圖：運(yùn)用基于金剛石壓砧的高壓低溫綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在三維拓?fù)浠衔顱i₂Te₃中成功地觀察到壓力誘導(dǎo)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。進(jìn)一步研究表明，這種轉(zhuǎn)變（電阻陡降）的溫度隨外加磁場(chǎng)向低溫端移動(dòng)，表明轉(zhuǎn)變的超導(dǎo)屬性。結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)表明在上述壓力區(qū)間Bi₂Te₃依然保持常壓相構(gòu)型，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，第一性原理計(jì)算證實(shí)母體相依然具有拓?fù)鋵傩浴２⑻接懥嗽贐i₂Te₃實(shí)現(xiàn)具有自旋三重態(tài)的體態(tài)拓?fù)涑瑢?dǎo)的可能。以上工作發(fā)表在美國科學(xué)院院刊上Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)。

圖：我們選擇具有很高介電常數(shù)和擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的鈦酸鍶(SrTO₃)作為襯底，外延生長出高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體單晶薄膜，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)其化學(xué)勢(shì)和量子輸運(yùn)性質(zhì)的大范圍調(diào)控，并大大抑制了其體電導(dǎo)。相關(guān)工作在Physical Review Letters (2010) 和 Advanced Functional Materials (2011)發(fā)表，并已得到國際同行廣泛引用。在量子輸運(yùn)性質(zhì)研究方面，我們?cè)趪H上率先報(bào)道了電場(chǎng)對(duì)反弱局域輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控效應(yīng)。這個(gè)工作于2011年作為Raid Communications發(fā)表在Physical Review B上，并被選為“編輯推薦”文章。

圖：物理所利用自主研制的先進(jìn)的低溫－高壓－磁場(chǎng)綜合測(cè)量系統(tǒng)對(duì)拓?fù)浣^緣體Bi₂Te₃單晶進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過高壓原位磁阻和交流磁化率的雙重測(cè)量, 研究了壓力誘導(dǎo)的拓?fù)浣^緣體至超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。并通過高壓實(shí)時(shí)霍爾測(cè)量， 首次給出了壓力下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與載流子濃度和類型的轉(zhuǎn)變之間的定量關(guān)系。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在2011年以Rapid communication 的形式發(fā)表在Physical Review B上，并被該期選為編輯推薦文章和亮點(diǎn)工作。圖中（a）不同晶體結(jié)構(gòu)中壓力調(diào)制的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度；（b）不同晶體結(jié)構(gòu)中霍爾系數(shù)隨壓力的變化，在常壓相（AP phase）向高壓相（HP phase）轉(zhuǎn)變的臨界壓力（～8 GPa），其載流子類型從空穴型轉(zhuǎn)變成電子型。

圖. 圖為空氣解理的拓?fù)浣^緣體Bi₂Se₃能帶與費(fèi)米面，發(fā)現(xiàn)暴露空氣之后的拓?fù)浣^緣體的拓?fù)浔砻鎽B(tài)依然存在，直接證明了空氣環(huán)境中拓?fù)湫虻姆€(wěn)定性;其次，暴露空氣之后材料的表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化，表現(xiàn)出明顯的電子摻雜，導(dǎo)致表面態(tài)能帶整體向結(jié)合能更大的方向移動(dòng)，費(fèi)米面也相應(yīng)地產(chǎn)生了顯著變化;非常有趣的是，在拓?fù)浣^緣體的表面，產(chǎn)生了與表面態(tài)共存的額外的量子阱態(tài)。拓?fù)浣^緣體表面態(tài)在暴露空氣之后表現(xiàn)出的這些行為，對(duì)于拓?fù)浣^緣體相關(guān)的基礎(chǔ)研究和最終應(yīng)用有著重要的意義。相關(guān)成果于2012年發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences《美國科學(xué)院院刊》上。

三、國際合作

2010年7月5日，“IOP 2010論壇：拓?fù)浣^緣體的未來和展望”在物理所和山東大學(xué)威海國際學(xué)術(shù)中心成功舉辦。來自美國哈佛大學(xué)、斯坦福大學(xué)、德國維爾茨堡大學(xué)等國內(nèi)外十多位專家作了主題報(bào)告，主要圍繞多體系統(tǒng)里的拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浣^緣體的輸運(yùn)性質(zhì)、拓?fù)浣^緣體的新材料、拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體等問題進(jìn)行了討論交流。

圖：“IOP 2010論壇：拓?fù)浣^緣體的未來和展望”參會(huì)人員合影

由物理所國際合作研究中心主辦的“過渡金屬化合物中由自旋軌道耦合驅(qū)動(dòng)的物理研討會(huì)”（Workshop on Physics Driven by Spin-orbital Coupling in Transition Metal Compounds）于2011年6月20日至21日在物理所舉辦。研討會(huì)就莫特轉(zhuǎn)變和自旋軌道耦合、多鐵性體、拓?fù)浣^緣體和庫倫阻塞、納米尺度中的自旋軌道耦合等問題進(jìn)行了深入探討。來自美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、等二十多名相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜易髦黝}報(bào)告。

圖：“過渡金屬化合物中由自旋軌道耦合驅(qū)動(dòng)的物理研討會(huì)”參會(huì)人員合影

圖：物理所的“拓?fù)浣^緣體研究取得重要進(jìn)展”入選由科技部組織評(píng)選的2010年度中國科學(xué)十大進(jìn)展

圖：物理所四人等榮獲香港求是科技基金會(huì)2011年“求是杰出科技成就集體獎(jiǎng)”。分別為戴希研究員（右一）、張海軍博士（右四）、馬旭村研究員（左五）、方忠研究員（左六）

中科院物理所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室在拓?fù)浣^緣體方面所做的一系列工作，在國際上受到密切關(guān)注，這三年來，物理所共有7位研究員收到拓?fù)浣^緣體相關(guān)的國際會(huì)議邀請(qǐng)共作作20多個(gè)邀請(qǐng)報(bào)告。物理所已經(jīng)成為目前世界上進(jìn)行拓?fù)浣^緣體研究最有影響力的中心之一。拓?fù)浣^緣體作為一個(gè)全新的領(lǐng)域，是突破未來信息技術(shù)的重要方向之一，中國科學(xué)家在基礎(chǔ)研究方面的工作對(duì)于我國在該領(lǐng)域領(lǐng)先發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。