低维体系拓扑态设计与输运特性研究

Recently, topological states have aroused great interests due to its extraordinary physical properties. Based on our previous works and our close cooperation with experimental groups，we propose to study the topological states in low dimensional systems. The whole project can be separated into two parts. Firstly, we will study the engineering of topological states in low dimensional systems involving the utilization of new materials, new principles and new methods. The specific research plans include: (1) engineering topological Anderson insulator through doping silicon in InAs/GaSb quantum wells；(2) designing novel topological states by tuning the frequency of a periodic driven field； (3) realizing robust topological states via coupling of multiple degree of freedom in quantum valley Hall systems and topological kink systems. These studies aim to break the record that HgTe/CdTe quantum wells is the only experimental realized topological insulator in two dimensional system. In the second part, we propose to study the disorder effect in the topological crystalline insulator and the dephasing effect in the surface states of three-dimensional topological insulator. The main aim of these researches is to explore how the symmetry breaking effects influence the transport properties and other observable properties in these symmetry protected topological systems. The proposed project expects to significantly improve our knowledge of topological states in low dimension systems.

最近,拓扑态因其具有的新奇的物理性质引起了广泛兴趣。基于我们的工作基础以及和实验组稳定的合作关系，本项目拟研究低维体系中的拓扑态。项目分为两部分，在第一部分,针对HgTe/CdTe量子阱是唯一被实验证实的二维拓扑绝缘体这一不利研究现状，我们拟研究利用新材料、新原理和新技术在低维体系设计可观测的拓扑态。具体包括：(1) 在InAs/GaSb量子阱体系利用硅掺杂的方法实现拓扑安德森绝缘态；(2) 在周期性外场体系，通过调控频率实现新奇的拓扑态；(3) 在量子谷霍尔效应和拓扑扭结效应等"弱"拓扑态体系，利用多自由度耦合的方式实现"皮实"的拓扑态。在第二部分，针对对称性保护的拓扑态体系对称性破缺不可避免这一事实，我们拟通过研究拓扑晶体绝缘体中的杂质效应和拓扑绝缘体表面态中的退相干效应，探讨对称性破缺效应对这些体系输运性质和其它可观测性质的影响。项目预期能在拓扑态研究领域取得一些有特色的原创性成果。

拓扑态因为它们的非平庸物理特性和在低能耗电子学器件上的潜在应用价值成为凝聚态物理研究的热点。本项目以低维体系中拓扑态为研究对象，利用理论建模、第一性原理计算、输运数值计算等方法在新拓扑态设计和拓扑态输运性质两个方面开展工作。研究内容包括（1）拓扑绝缘体中的无序效应及其输运性质; (2) 三维拓扑绝缘体表面态中的退相干效应和输运性质;(3) 低维材料中多自由度耦合下的拓扑效应；(4) 拓扑半金属输运性质。 通过项目研究，我们取得以下成果： （1）预言或证实了几种新拓扑态（例如尺寸效应导致的新型Z2=0拓扑绝缘体、Sb异质结构中的量子自旋-量子反常霍尔效应、双层石墨烯体系线缺陷导致的拓扑界面态）、理解了它们的拓扑物性并得到了它们的输运性质；发现了几种拓扑态导致的新奇输运现象（例如外尔半金属体系类光学输运、石墨烯体系拓扑态引起的谷极化输运和自旋极化输运、拓扑半金属体系高迁移率等）并由此设计了新的拓扑电子学原型器件；深入系统地理解了无序和退相干对拓扑态输运性质的影响（例如外尔半金属体系无序导致的金属绝缘体相变、拓扑绝缘体表面态退相干和无序联合作用导致的背散射等）；（2）基于这些研究，在物理学期刊发表SCI论文26篇。包括物理学顶级期刊Phys. Rev. Lett. 5篇、Nature Commun 1篇；物理学重要期刊Phys. Rev. B 15 篇、New Journ of Phys 2篇；邀请综述2篇；（3）直接培养研究生4人、其中3人已获得硕士学位； 协助培养研究生5人，其中3人已获得博士学位，1人获得硕士学位。总而言之：我们通过本项研究，解决了领域内一些重要基础性问题，并培养了一些后备人才，有效地推动了拓扑态理论研究领域的发展。