低维量子结构中狄拉克型电子激发及其输运特性研究

低维量子结构的研究是凝聚态物理的前沿。本课题围绕拓扑绝缘体、低维石墨、含有机分子的异质结等分别具有拓扑奇异、拓扑平庸和反常自旋输运的表（界）面态的低维量子结构开展实验和理论研究，揭示其电子态、光电磁及输运性质，集中探讨对狄拉克激发体系和奇异表(界)面态进行量子调控的机理，以图为其应用打下重要的物理基础。主要包括:1）制备高质量拓扑绝缘体，采用团簇束流对其表面进行系统修饰，实现对表面态的掺杂、自旋极化、相对论散射和局域化等调控效果，研究样品的输运特性并进行优化; 2）制备高质量石墨及单层，在其表面有目的地引入点缺陷，研究其局域电子结构，利用自旋极化扫描隧道显微镜研究缺陷与磁性的关联；研究磁性纳米岛在单层石墨表面的生长、磁性及自旋注入；3）在铁磁性材料表面沉积一到两层的有机半导体分子，通过自旋极化扫描隧道显微镜研究分子结构、成分及沉积位形等对分子自旋极化的影响和规律。

本课题围绕拓扑绝缘体、低维石墨、含有机分子的异质结等分别具有拓扑奇异、拓扑平庸和反常自旋输运的表（界）面态的低维量子结构开展实验和理论研究。在实际工作中，我们的主要研究对象覆盖了石墨烯、拓扑绝缘体、有机分子、MoS2、WTe2和拓扑半金属等众多当前高度关注的狄拉克体系，从理论和实验两个方面分别开展工作，建立了一套独特的原子团簇产生-质量选择-在线修饰-低温输运联用系统，发展了低温下独立电荷和自旋的STM操纵方法，取得了实现能带绝缘拓扑绝缘体、生长单层有机分子晶体、设计并实现了自旋拓扑奇异的Skyrmion晶体、预言全氮金属盐、探索量子自旋霍尔体系中拓扑不变量与边态联系和电子纠缠特性检测等重要进展。本项目系统研究了这些奇异电子体系的电子态、光电磁及输运性质，集中探讨对狄拉克激发体系和奇异表(界)面态进行量子调控的机理，这为其应用打下重要的物理基础。依托这些研究工作，在SCI检索的学术杂志上发表论文72篇，其中含Nature Communications 2篇，Physical Review Letters 4篇，Scientific Reports 2篇，Applied Physics Letters 10篇和Physical Review B 17篇，全面高质量的完成了项目预定的研究任务。