拓扑绝缘体的量子输运性质研究

Topological insulator, a new state of matter, has been the focus of intensive study recently. In this proposal, we wish to theoretically investigate quantum transport properties through two dimensional as well as three dimensional topological insulators. The following important issues will be addressed in this proposal. First of all, we will propose a complex topological insulator which has both topology-protection and non-topology-protection edge states and study its novel behaviors of quantum transport. Secondly, we will study the properties of electron and spin transport through nano-scaled topological insulators in both two and three dimensions. We will investigate how the transport properties through topological insulators are affected by the electron-electron interaction, electron-phonon interaction, external magnetic field, and various impurities, etc.. Finally, we will study the Josephson effect and Andreev bound states in topological insulator-superconductor hybrid systems. With these investigations, we can thoroughly understand the quantum-transport propertis of the topological insulators and reveal several interesting novel phenomena in topological-insulator devices. Therefore, these investigations are important from both scientific and application point of view by providing theoretical foundations for the future quantum electronic devices.

我们拟理论研究拓扑绝缘体的量子输运性质。主要集中研究二维拓扑绝缘体，同时也部分涉及三维拓扑绝缘体。具体研究下面几个课题：（1）提出一种既含有受拓扑保护边态又有不受拓扑保护边态的复合拓扑绝缘体，并研究它的独特量子输运现象；（2）研究由拓扑绝缘体组成的低维受限体系的电子和自旋输运性质，并考虑电子-电子相互作用、电－声子相互作用、外加磁场、和各种杂质等对量子输运性质的影响；（3）研究二维拓扑绝缘体超导复合体系的Josephson效应和Andreev束缚态。通过这些研究，能深入地了解拓扑绝缘体的量子输运性质，发现几个与拓扑绝缘体有关的新奇输运现象。该研究既有一定的创新性和基础科学价值，也为制造量子电子器件提供理论依据。

在本基金的资助下，我们按计划对拓扑绝缘体的量子输运性质开展研究。四年来，研究进展相当顺利，已很好地完成了本项目的研究任务，达到项目的预期目标。主要研究成果以论文的形式发表。在项目的四年资助期间，共发表SCI论文41篇，其中Phys. Rev. Lett. 4篇，Nature Commum. 1篇，PNAS 1篇，Phys. Rev. B 20篇。并且这些论文已有相当多的他人引用。一人于2013年获得教育部长江特聘教授；一人于2015年获得华人物理学会亚洲杰出成就奖；一人于2016年获得科技部“中青年科技创新领军人才”；毕业博士生3名，出站博士后1名。.主要研究成果有：.1）、Weyl半金属是一种三维拓扑材料。发现当一束Weyl费米子入射到由Weyl半金属构成的PN结界面时，由于体系的拓扑特性，能同时发生GH移动和IF移动。GH移动与谷无关，IF移动正好与谷指标相反。利用IF移动特性，我们设计了谷极化器件；也提出通过测量IF移动，可以直接测量Berry曲率；等。.2）、研究杂质和退相干共同存在时对三维拓扑绝缘体的量子输运性质影响。发现尽管单独非磁场杂质散射、单独退相干、以及退相干和一阶杂质散射过程相结合，都不会引起表面态背散射；但退相干和二阶或更高阶杂质散射相结合时，会引起表面态背散射。并发现退相干和长程库仑杂质势结合对小动量k的散射非常大，从而在表面态的能谱上打开能隙。这些结果统一地解说了前人的实验结果（表面态通常不会打开能隙，但在很高杂质浓度时在体能隙关闭之前表面态可能会打开能隙）。.3）、在超导-二维拓扑复合体系，首次发现局域Andreev反射完全被禁止，只有交叉Andreev反射发生。从而设计出一个分离效率达100%的Cooper对分离器。并且由于受拓扑保护，该Cooper对分离器具有不受体系各种参数、杂质的影响等优异性能。.4）、研究磁场下三维拓扑绝缘体台阶结构的表面态量子输运性质，发现台阶的上下表面栅电压不同时，侧表面只有一个单向的传输通道，并且这传输通道是自旋极化的。特别是通过调节栅电压，可以任意的调控它的自旋极化方向。这提供一个无背散射的任意调控输运电子的自旋极化方向的方法。.以上这些成果和发现，能加深人们对拓扑体系的独特量子输运现象的理解，能促进拓扑领域的发展，也为基于拓扑材料制造各种量子电子器件提供理论依据。