拓扑绝缘体表面态电子输运与自旋极化性质研究

The topological insulator surface states have the exotic physical properties, and thus they may have potential applications in spintronics and quantum computation and are also now a hot research topic in the field of condensed matter physics. In this project, we will focus on the theoretic problems relative to electron transport and spin polarization of topological insulator surface states, and study the weak antilocalization, the anomalous Hall effect, the light-induced Hall effect, the current-induced spin polarization effect and the properties of topological quantum phase transitions relative to these effects. We will investigate the effects of impurity scattering on the electron transport properties of topological insulator surface states using the Green function method. We aim to explore the relationship between the electron transport behaviors of topological insulator surface states and the characteristic topological properties of topological insulators, to understand the physical rules and the properties of electron transport in topological insulators, to improve the theory of manipulating electronic spin of topological insulators by using of the electronics methods, and to provide the theoretical design bases of new type topological insulator apparatuses.

拓扑绝缘体表面态具有新奇的物理性质，其在自旋电子学和量子计算等领域中有着潜在的应用价值，也是目前凝聚态物理研究领域中倍受关注的热点方向。本项目将关注拓扑绝缘体材料中表面态电子输运及自旋极化的相关理论问题，重点研究弱反局域化行为、反常霍尔效应、光致霍尔电流效应和电流诱导自旋极化效应及其相关的拓扑量子相变性质。利用格林函数方法探讨杂质散射效应对拓扑绝缘体表面态电子输运性质的影响。通过研究探索拓扑绝缘体表面态电子输运行为与拓扑绝缘体所特有的拓扑性质之间的联系，深入了解拓扑绝缘体中电子输运的物理规律与性质，完善利用电学方法调控拓扑绝缘体电子自旋的理论，为新一代拓扑绝缘体器件提供理论设计基础。

拓扑绝缘体中新奇的物理性质及其表面态电子输运是目前凝聚态物理研究领域中在实验与理论两方面都倍受关注的热点方向。由于拓扑绝缘体所特有的拓扑性质，对拓扑绝缘体输运性质的研究一方面可以促进凝聚态物理基础理论的发展，另一方面在自旋电子学和量子计算等领域中也有着潜在的应用价值。本项目研究拓扑绝缘体中电子输运的相关理论问题，建立拓扑绝缘体电子量子输运行为与材料本身所特有的拓扑性质之间的联系，进一步发展拓扑量子相变理论，为新一代拓扑绝缘体器件设计提供一定的理论基础。本项目取得以下研究成果: （1）我们研究了二维拓扑绝缘体HgTe量子阱中量子自旋霍尔效应的有限尺寸效应。讨论了体反演不对称性和结构反演不对称性诱导的自旋轨道耦合以及不同边界条件对HgTe量子阱中量子自旋霍尔效应的边界态有限尺寸效应的影响。发现了由于有限尺寸效应打开的边界态能谱中能隙将随着HgTe量子阱条状样品宽度的变化表现出一种指数振荡衰减的行为，而且研究还发现当存在拓扑绝缘体与普通绝缘体的界面时，这种指数振荡衰减模式可以通过普通绝缘体的宽度调节。我们还提出了一种基于能带反转的HgTe量子阱边界态有限尺寸效应实现量子自旋霍尔场效应管的设计方案。（2）我们研究了HgMnTe量子阱中自旋轨道耦合诱导的拓扑相变。在交换场和自旋轨道耦合的共同作用下，通过数值计算自旋陈数，我们画出了在不同参数下的拓扑相图。（3）我们研究了Lieb晶格模型的量子自旋霍尔效应的性质。我们讨论了对于一个条状Lieb样品在直边界，胡须型和不对称边界下的本征自旋轨道耦合效应导致的螺旋边界态的有限尺寸效应。（4）我们研究了准一维二聚化p波超导体的拓扑相变性质。研究给出了准一维Kitaev链在不同拓扑类下的相图，研究表明调制二聚化系数的大小会影响准一维Kitaev链的拓扑性质。（5）我们研究具有Rashba自旋轨道耦合的Lieb晶格拓扑相变性质。基于自旋陈数的计算，我们给出了拓扑相图。（6）我们研究了{Cu3}单分子磁体中三角自旋环和自旋1/2的伊辛-海森堡菱形链的热纠缠性质。研究成果为在量子计算和量子信息领域中有效利用这些材料的自旋量子比特提供了一定的理论基础。本项目研究成果公开发表学术论文12篇，其中SCI收录论文11篇。