拓扑绝缘体中的量子杂质态及杂质输运特性研究

Topological insulators are new states of quantum matters and get increased attention in recent years, which have a potential application in room temperature spintronics and topological quantum computation. They are characterized by a full insulating gap in the bulk and gapless edge ot surface states which are protected by time-reversal symmetry. However, all the newly discovered topological insulators are highly metallic in their bulk states. Key point of present project is to study the effect of quantum impurity on the bulk state and surface state of topological insulators and related transport properties. It is expected to study the Kondo effect and ingap bound state formation in the presence of an Anderson impurity coupled to the bulk state of topological insulators. For finite doping concentration, we will investigate the phase transition from insulator to metal and the possilble topological phase transition. The percolation behavior of the connection between the edge states at finite doping will also be discussed. Furthermore, quantum anomalous Hall effect has been observed in magnetic impurity doped topological insulator thin film recently. We will study the property of a vacancy and quantum impurity in this system. It is expected to understand the high bulk conductance in the topological insulators and explore the principles of the preparation of highly quality samples. Through the study, it is expected to present theoretical basis in design and application of new devices.

拓扑绝缘体是最近发现的一种新的量子物态，是目前备受关注的前沿研究领域，在室温自旋电子学和拓扑量子计算等方面都有重要的应用前景。拓扑绝缘体的体态具有绝缘的性质，而其边界态或表面态则是受时间反演对称性保护的金属态。由于体内存在大量缺陷，目前实验上面临的一个难题是制备的拓扑绝缘体材料具有很高的体电导性。本课题的核心是研究低温下体态的量子杂质对拓扑绝缘体材料体态和表面态电子性质的影响，以及由此反映的输运性质。研究体内单杂质所引起的近藤效应和禁带内杂质束缚态形成；研究有限掺杂诱导的绝缘体到金属相变和拓扑量子相变；同时讨论有限掺杂情况下边界态间的临界逾渗行为。此外，最近的实验在掺有磁性杂质的拓扑绝缘体薄膜中观测到量子反常霍尔效应，本课题拟研究这一体系中的缺陷态和量子杂质态。通过研究，希望能帮助理解拓扑绝缘体高电导态的形成原因，探索制备高品质样品的方法和原理，为新型量子器件的设计和应用提供物理模型。

拓扑材料和拓扑量子器件的研究与探索是近年来凝聚态物理和半导体物理最热门的研究方向之一。拓扑量子材料和器件中的量子杂质态及其相关的量子输运特性，对研究拓扑材料的能带性质和调控具有非常重要的物理意义和应用前景。研究量子杂质态和拓扑量子器件的输运特性，已成为纳米电子学领域的一个重要研究方向。. 本项目主要研究了低温下体态的量子杂质对拓扑绝缘体材料体态和表面态电子性质的影响，以及由此反映的输运性质。通过研究，希望能帮助理解拓扑绝缘体高电导态的形成原因，探索制备高品质样品的方法和原理，为新型量子器件的设计和应用提供物理模型。. 在本课题的资助下，我们研究了Majorana量子点的异质结构来得到电学可调节的非局域电流交叉关联；推广研究了相互作用Majorana费米子调制的双量子点体系中的电流交叉关联性质；考虑高斯涨落，研究了二维费米子气体在BCS-BEC过渡区的基态性质；提出了利用散粒噪声来测量Majorana束缚态的弛豫时间和能量劈裂的大小，研究了量子点和Majorana束缚态耦合体系的输运性质；提出利用一对Majorana边界态在两个空间上分离的单电子自旋比特中产生非局域纠缠；计算一系列二维过渡金属化合物的能带性质，发现TiCl和VCl纳米带无需任何修剪和改性就可以显示出半金属特性；此外，我们研究了nodal loop半金属和多重外尔半金属中的量子杂质态特性。. 2015年初至今共发表标注基金资助的学术论文11篇，全部被SCI收录并且发表在国外重要物理学杂志上[Physical Review A (1篇), Physical Review B (2篇), Scientific Reports (1篇), Beilstein Journal of Nanotechnology (1篇), Journal of Physics: Condens. Matter (1篇), Journal of Applied Physics(1篇)]。这些论文发表至今被引用近100次。另有一篇Physical Review B已修回，一篇Physical Review Letters正在审稿。此外，在本项目的支持下，项目负责人与博士后合作开展了激光与介观纳米结构的微纳光学实验研究，并在二维材料缺陷态的光学效应上展开了相关研究。