拓扑绝缘体的第一性原理研究

拓扑绝缘体是一种新奇的量子物态，具有绝缘体和导体双重特性，结合超导序和铁磁序，拓扑绝缘体可能在量子计算机和自旋电子学等领域有着潜在的广泛应用。本项目将利用第一性原理方法寻找新的拓扑绝缘体材料，研究在新的或已有的拓扑绝缘体材料中如何有效地引入铁磁序或超导序，具体有：（1）研究如何在拓扑绝缘体材料中进行磁性原子掺杂形成稀磁拓扑绝缘体，即希望在拓扑绝缘体体材料内部保持拓扑序的同时引入铁磁序；研究铁磁序对拓扑现象的影响；指导实验观测无外磁场条件下的量子反常霍尔效应，为未来的自旋电子器件设计提供物理基础。（2）研究两种在拓扑绝缘体内引入超导序的方式：一是搜寻既有超导性又有拓扑性的材料，这样很自然地在拓扑表面态中引入超导序；二是研究超导体和拓扑绝缘体的真实界面，这里通过近邻效应，在拓扑表面态中可能引入超导序。最终指导实验发现Majorana准粒子，为在真实固体系统中实现拓扑量子计算提供理论上的准备。

拓扑绝缘体是一种新奇的量子物态，其体内绝缘，而边缘导电。拓扑绝缘体的边缘态因体系的拓扑性质而起，从而具有很高的抗无序及缺陷的能力，因此在低能耗电子器件中有着巨大的应用潜力。此外，在拓扑绝缘体中引入铁磁序和超导序，将使得拓扑绝缘体在量子计算机和自旋电子学等领域有着广阔的应用前景。本项目即围绕着拓扑绝缘体中的铁磁物性和超导电性等问题展开，主要的研究成果有：（1）系统地研究了磁性原子掺杂Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3的结构稳定性、磁性性质、掺杂难易情况和价态。结果显示，富硒或富碲生长环境有利于磁性原子的引入，且V和Cr较Mn和Fe更容易形成掺杂。此外，我们还发现当掺杂浓度为4%时，含有Cr或Fe的Bi2Se3、Bi2Te3以及Cr掺杂的Sb2Te3仍然具有绝缘特性，但是V或Mn掺杂的Bi2Se3族三种材料及Fe掺杂后的Sb2Te3均呈现金属性质。在实验方面，我们与UCLA Kang L. Wang教授研究组合作，对Cr掺杂(BixSb1-x)Te3薄膜进行了一系列磁输运测量。通过门电压调控等手段，发现该体系中存在空穴诱导的RKKY耦合与不依赖于载流子的van Vleck磁性机制共存的现象，并找到了增强或抑制二者贡献的有效方法。（2）对硅烯的生长、晶体结构及电子性质展开了系统的实验和理论研究。结合第一性原理计算和扫描隧道显微镜实验，我们发现在Ag(111)面上存在√3×√3超结构。随后通过准粒子干涉仪，发现该硅烯电子结构中的Dirac锥及六角warping。通过紧束缚近似和第一性原理计算，我们给出了其理论解释。此外，我们还理论上系统地研究了硅烯中的可能超导电性，包括传统电声子耦合引起的常规超导态和电子关联诱导的非常规的拓扑超导态，如：双层硅烯中存在的d波手性超导、掺杂双层硅烯中的p+ip’超导以及掺杂单层硅烯中电场诱导的手征d+id’超导和三重态f-波超导等等。同时，在引入破缺时间反演对称性的交换场以及外在的Rashba势后，我们亦在硅烯中发现了一类全新的拓扑量子态—谷极化的量子反常霍尔效应。（3）寻找新型的能隙较大的低维量子自旋霍尔绝缘体材料。我们通过第一性原理计算，预言了单层Bi4Br4体系和二维蜂窝状的Bi/Sb氢化物以及卤化物家族具有很大的自旋轨道耦合能隙，从而能够在室温下实现量子自旋霍尔效应。此外我们还研究了此两类材料中的拓扑物性或超导电性。