原子团簇-狄拉克电子体系复合系统的强磁场输运及新奇量子态研究

Atomic cluster is a system with exactly controllable number density, atomic structure, electronic structure and magnetic moment. When Dirac fermion system with open surface, such as graphene and topological surface state, is decorated with clusters, the interaction, correlation, topological number and symmetries can be controlled with great precision, and this decoration may induces many novel topological quantum states. Based on the collaboration of Nanjing University and High Magnetic Field Laboratory and the work on the coherent quantum transport of Dirac fermions, we will focus on the atomic cluster-Dirac fermion hybridized system, grow high quality Dirac materials and fabricate ultrathin devices, then deposit mass selected atomic clusters on the surface. By changing the cluster species, structures, magnetic moments, hybridization, Dirac material species and gate voltage, we will manipulate the interaction in this hybridized system, and get an insight into the spin-orbit interaction, correlation effect, symmetry and topological characteristics. More concretely, we will do electron transport measurement under high magnetic field and low temperature, and try to obtain quasi-particle Bose-Einstein condensation, graphene topological states and observable topological magneto-electric effects.

原子团簇是数密度、原子结构、电子结构、磁矩等物性精确可控的原子单元，利用团簇来修饰石墨烯、拓扑表面态等具有开放表面的狄拉克电子体系意味着狄拉克电子的作用形式、关联特征、拓扑数和对称性等的精确调控，将可能构筑多种新颖的量子态。这也是申请人近年集中工作的特色方向。.本申请基于南京大学与强磁场中心在狄拉克电子相干输运方面的多年合作，拟以原子团簇-狄拉克电子体系复合系统为核心研究对象，生长高质量的狄拉克电子体系样品并制备超薄器件，沉积原子数精确给定的原子团簇作为表面修饰，利用原子团簇种类、结构、磁矩、复合方式、狄拉克体系种类、栅控等自由度对该复合系统的物理作用进行精确调控，研究其中的自旋轨道耦合、电子关联、对称性及拓扑特征等，利用强磁场低温的极端条件开展器件输运测量实验，探索新颖量子新物态及器件新物理。

利用团簇修饰具有开放表面的狄拉克电子体系意味着狄拉克电子的作用形式、关联特征、拓扑和对称性等的精确调控，将可能构筑多种新颖的量子态。本项目以原子团簇和狄拉克电子体系为研究对象，探索新颖量子新物态及器件新物理。申请人以课题组的工作为基础，围绕本项目的任务开展工作，做出了一系列富有特色的创新性成果。我们在Gd@C82中验证了单分子驻极体的存在，这有助于发展新型的单分子存储器件；基于团簇团簇仪器建设的进展，探索了质量选择团簇的等离激元的演化，构筑了等离激元物理从固态到原子分子的演化的图像；生长了多种高质量了狄拉克电子体系材料，得到了理想的二类狄拉克半金属，优化了本征磁性拓扑绝缘体；在磁性拓扑绝缘体器件中观测到了反常霍尔的翻转，并在高质量的器件中实现了陈绝缘态。.基于以上成果，发表了论文42篇, 包括Nature Nanotechnology 1篇，Nature Communications 2篇，National Science Review 1篇，Nano Letters 1篇，ACS Nano 2篇，Advanced Materials 2篇等，相关论文被包含Nature等期刊引用。相关工作多次受邀在国际国内相关会议上做邀请报告。