拓扑绝缘体及其相关混合结构中电子输运性质研究

Since fabricating topological insulators(TIs) successfully in experiment, the transport properties of electrons in the edge states or surface states of TI are studied extensively in the topological insulator, and have being one of the hot research areas in the condensed matter field. According to the recent research progresses about the topological Anderson insulator, quantum Andreev reflection, quantum anomalous Hall effect and the electron coherence of quantum Hall state,we plan to do the following research in this project: (1)the study of the quantum Andreev relfection in topological insulator/supeconductor hybrid system; (2)the study of the quantum Andreev relection and electronic transport properties in quantum anomalous Hall state/superconductor hybrid system; (3)the study of the coherent transport properties of the edge state or surface state of topological insulator. Note that the superconduct state, quantum anomalous Hall state, quantum Andereev reflection and electronical coherent properties are the focuses in the condensed matter physics. Therefore, it is important to study these novel quantum states and quantum phenomena in the topological insulator related structures. The study of these questions not only can clarify the physical notation and the origin of phenomena, but also can pave the way for the realization of future quantum device, made in TIs or related materials.

自拓扑绝缘体在实验室成功制备以来,拓扑绝缘体边界态或表面态的电子输运性质研究成为当今凝聚态物理中的研究热点之一。结合该领域关于拓扑Anderson绝缘体，量子Andreev反射，量子反常霍尔效应和量子霍尔态边界态相干性等课题的最新研究进展，本项目拟主要开展以下几方面研究：（1）拓扑绝缘体/超导体系中Anderson无序导致的量子Andreev反射现象；（2）量子反常霍尔态/超导共存体系中Andreev反射现象和电子的输运性质；（3）拓扑绝缘体或相关体系中表面态或边界态的相干输运特性。超导态，量子反常霍尔态，Andreev反射和电子相干特性都是当今凝聚态物理中的研究热点，在拓扑绝缘体混合体系中研究这些新奇物质态和量子现象是非常有意义的课题，并且也都是当前研究的热点和重点之一。这些课题的研究不但具有澄清物理概念、阐明物理图像的认知意义，而且能够为未来量子器件研制奠定前期的理论工作。

拓扑绝缘体是近年来物理研究的焦点和热点之一。这类材料具有特殊属性：体材料内部是绝缘的；表面存在无能隙的金属态；电子自旋和动量方向是锁定的，即螺旋性。拓扑绝缘体的拓扑性质是由其能带的拓扑不变量Z2标征，其具有的特殊属性同其拓扑性质紧密关联。此外，由于无自旋的二维陈绝缘体通过对应的陈不变量Z来表征，一维手性对称绝缘体通过拓扑绕数标征，它们也是广义上的拓扑绝缘体。.当把拓扑绝缘体邻近一个S波超导体，其拓扑保护的边界态会打开超导能隙，表现为P波拓扑超导体。研究表明，此类材料中可能存在人们长期寻找的马约拉纳费米子。寻找、探测马约拉纳费米子及研究拓扑绝缘体-超导体混合体系输运性质成为当前研究热点之一。.我们的研究内容、主要成果及意义如下：.（1）研究了跃迁无序对拓扑绝缘体的影响，结果表明同位能安德森无序会诱导拓扑安德森绝缘体相，而跃迁无序会破坏拓扑安德森相，而是否出现拓扑安德森绝缘体取决于同位能安德森无序和跃迁无序的强弱竞争；提出了拓扑绝缘体PN结器件，为实验探测拓扑保护的边界态提供可行途径；研究了量子自旋霍尔效应的能斯特和塞贝克效应，为理解和利用拓扑绝缘体的热电效应提供理论参考；研究了弱拓扑绝缘体的尺寸效应和磁性掺杂特性，为实现拓扑绝缘体材料中量子调控提供可行途径和理论参考。.（2）研究了量子霍尔效应中平台-绝缘体相变过程中的临界现象，确定了普适标度指数，提供了零温极限下霍尔态的消失证据；研究了陈数为2的两带陈绝缘体的相变现象，证实了在无序作用下此类体系从n=2相变为n=0安德森绝缘体的特征，为深入理解拓扑绝缘体相变提供重要的理论参考。.（3）和合作者一起发展了实空间拓扑绕数的计算方法，为研究一维和三维手性对称的拓扑体系中的无序效应提供了可行途径。利用此方法，研究了具有手性一维AIII、一维BDI、三维AIII等拓扑体系的无序特征和相变现象，展示了此类相变过程中临界现象，为理解此类体系及相变现象提供了理论和数据支撑。.（4）研究了超导体-拓扑绝缘体-超导体组成的约瑟夫森结的输运特性，证实了邻近效应诱导的边界态超导特性，对实验中其它难以理解的测量结果进行数值模拟，并提出合理的解释。.（5）研究了拓扑外尔半金属的无序效应，系统地研究了无序作用下外尔半金属向拓扑绝缘体、绝缘体及安德森绝缘发生相变的条件，展示了这些物质相及相变相关的相图，研究了无序杂质对外尔半金属拓扑边界态的影响。