拓扑半金属纳米结构量子输运及其外场调控研究

Three-dimensional topological semimetal (TSM) has bulk Dirac or Weyl metal state and can serve as an ideal platform for the systematic study of the manipulation of different topological quantum phases and phase transitions. The peculiar characters of the TSM demonstrate that it has a potential application in future (spin) electronics devices, quantum computation etc.. In the practical applications of the TSMs, the coherent control of the Dirac electron or Weyl fermion transport is one of the key problems that should be considered. In this project, Dirac semimetal Cd3As2 and Weyl semimetal TaAs nanostructures are taken as examples, the effects of the geometrical structure and different external fields on the quantum transport in TSMs will be investigated by adopting the spin-resolved lattice Green function method and the Usuki transfer-matrix method. The TSM nanostructures without external field are studied first, and then the hybrid TSM nanostructures with different external fields (such as electric field, ferromagnetic interchange field, magnetic field etc.) will be considered. It is expected to find the effective methods and physical rules to manipulate the transport of Dirac electron and Weyl fermion by geometrical structures combined with external fields. The studies in this project may unveil some interesting transport phenomena and conceptions, as well as provide physical models and theoretical instructions on the designment of topological (spin) electronic devices with controllable functions.

三维拓扑半金属具有体狄拉克或外尔金属态，可以作为研究不同拓扑量子相操控及相变的理想平台，在未来高速低耗(自旋)电子器件和量子计算等领域具有广阔应用前景。在拓扑半金属走向实际应用的过程中，材料中狄拉克电子或外尔费米子输运的相干控制是必须要考虑的关键问题之一。本项目将以狄拉克半金属砷化镉和外尔半金属钽砷纳米结构为例，拟采用与自旋相关晶格格林函数和Usuki转移矩阵方法相互验证和配合，研究几何结构和不同外场对拓扑半金属量子输运的影响及带来的新效应。从无外场调制的拓扑半金属纳米结构简单情形出发，再逐步过渡到不同外场(电场、铁磁交换场和磁场等)调制的杂化结构，希望找到通过几何结构和外场调控狄拉克电子和外尔费米子输运的有效方法和物理规律。本项目的研究可能发现一些有趣的输运现象和概念，也可能为设计一些功能可控的拓扑(自旋)电子器件提供物理模型和理论指导。

三维拓扑狄拉克半金属具有体狄拉克态，可以作为研究不同拓扑量子相操控及相变的理想平台，在未来高速低耗(自旋)电子器件和量子计算等领域具有广阔应用前景。按照项目研究计划，采用基于紧束缚模型的晶格格林函数方法结合Landauer-Büttiker公式研究了受限低维纳米体系的电子结构和量子输运性质，取得了一些有趣的研究结果。(一) 研究了拓扑狄拉克半金属纳米条带的磁电结构和磁输运性质，发现不同受限和磁场方向对电子结构和输运有不同的影响。当体系面内受限时出现拓扑平庸的表面态，但是当面内外同时受限时出现拓扑非平庸的表面态。进一步研究发现当体系加上面外磁场时，出现类泽曼效应的自旋劈裂。当体系加上面内磁场时形成朗道能级和手性边缘态，通过改变磁场强度能实现拓扑相变。(二) 研究了侧向电极和垂直磁场共同调制下拓扑狄拉克半金属纳米条带的量子输运性质，发现侧向电场能调控表面态能级的位置，实现电荷输运的开关。垂直磁场能实现类自旋泽曼劈裂，实现自旋输运的调控。进一步研究表明这些表面态的输运能抵抗无序的影响，可能应用于设计拓扑自旋电子器件。(三)研究了正常/铁磁/正常拓扑绝缘体杂化结构的自旋电子输运性质，重点考虑了界面形貌对输运的影响。发现突变界面引起自旋相关量子干涉效应能打破面内自旋电导的对称性，但是缓变界面能恢复面内自旋电导的对称性，并实现完全极化的自旋过滤能量窗口。(四) 研究了垂直电场调制单层铟硒的电子结构，发现随着电场强度增加体系经历间接-直接-间接能隙转变，同时实现半导体-金属相变。以上研究成果均以论文形式公开发表在国内外主流物理学术期刊上，达到了预期目标