基于超低温扫描隧道显微镜的InAs/GaSb超晶格结构螺旋边缘态的研究

Inverted InAs/GaSb semiconductor quantum wells (QWs) is one type of the quantum spin Hall insulator (QSHI), and previous studies have already shown that InAs/GaSb system has a lot of advantages, including a gate-tuned band structures, an insulating bulk at low temperature, relatively precise quantized edge conductance, and can form stable interface with superconductor film which can be as an ideal platform to investigate the Majorana fermions. The group where the applicant is working has done lots of experimental work on inverted InAs/GaSb with low-temperature electron transport, however, there are still many problems waiting for feature investigation. Thus, in this research proposal, low-temperature scanning tunneling microscope equipped with vector magnetic fields is used to measure the helical edge states of InAs/GaSb superlattice quantum well. Through the scanning tunneling spectrum performed under 500 mK, we proposed to get the quantum behaviors of the helical edge states more directly.

能带反转的InAs/GaSb量子阱系统是量子自旋霍尔绝缘体的一种，其优点包括：可以用栅极调控的能带结构、低温下绝缘的体态、较为精确的边缘态量子化电导平台以及能够与超导薄膜形成良好的界面接触为探索Majorana费米子提供理想的平台等。申请人所在的课题组最早开始了基于能带反转InAs/GaSb量子阱的低温输运研究，在该领域取得了诸多重要的研究结果。在研究过程中也发现该体系仍然存在很多物理问题有待进一步探索，如螺旋边缘态对磁场不响应、边缘态电子表现出Luttinger液体行为等，解决这些物理问题不仅对我们深入理解InAs/GaSb拓扑边缘态具有重要的意义。因此申请人在目前低温输运研究所取得成果的基础上拟利用超低温扫描隧道显微镜（LT-STM）开展InAs/GaSb超晶格结构螺旋边缘态的探测与研究。利用扫描隧穿谱以及对样品施加矢量磁场更直观的理解InAs/GaSb拓扑边缘态的量子行为。

拓扑材料由于其能够实现受拓扑保护的边缘态或者表面态，有望在未来拓扑量子计算中得到应用，近年来受到凝聚态物理领域广泛的关注。拓扑材料包含的种类繁多，从二维拓扑绝缘体到三维拓扑绝缘体，外尔半金属，到拓扑超导体，他们所实现的拓扑态也表现出多种的物理行为，目前纷繁多样的拓扑材料及拓扑态中仍有很多未知的行为需要进行深入的探究，并在此基础上需求更适合实际应用的拓扑材料是目前基础研究中亟需解决的问题。在项目经费支持期间，申请人利用超低温扫描隧道显微镜以及分子束沉积系统对拓扑材料的生长与物态信息进行了研究，研究主体内容包括InAs/GaSb超晶格量子阱的原子形貌及边缘态的测试，外尔半金属拓扑表面态以及拓扑边缘态的探究，二维拓扑绝缘体锡烯的生长以及拓扑物态研究。课题开展过程中得到以下结果：1、成功实现InAs/GaSb超晶格结果的超高真空原位解理，并实现量子阱的STM/STS测试，证实了InAs/GaSb量子阱界面处电子态的杂化行为；2、研究发现外尔半金属Fermi arc表面态的局域行为受到表面电势的影响，并证实非拓扑晶面存在一维的拓扑边缘态行为；3、成功实现二维拓扑绝缘体锡烯在InSb衬底的外延生长，并探测到单层锡烯具有较宽的体带隙以及明显的边缘态行为。以上的研究结果有助于更深刻的理解拓扑材料的拓扑态行为，寻找新型的拓扑态行为，且为探索适用于拓扑量子计算的新型拓扑材料提供有力支持。