拓扑绝缘体薄膜与异质结制备及表面拓扑电子态研究

拓扑绝缘体具有奇特的拓扑电子态，有望对电子学、自旋电子学和自容错拓扑量子计算带来革命性的推动。这一崭新的拓扑量子系统自近年问世以来就一直受到物理学界的广泛关注。本项目将研究在各种单晶衬底上高质量拓扑绝缘体（Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3和Bi2Se2Te）薄膜、掺杂拓扑绝缘体薄膜以及磁性或超导材料异质结的制备，利用极端条件扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱研究其电子结构，利用原位表面电导测量研究拓扑电子态的输运性质，研究因磁性和超导态的导入而引发的新的量子现象。本项目将深化对拓扑量子态的物理本质以及与其它量子态相互作用的理解和认识，努力实现对拓扑绝缘体电子态和自旋结构的量子调控，找到几种有效降低体载流子浓度和杂质缺陷的方法，争取制备出载流子迁移率大于20000cm^2s/V的薄膜样品，争取观察到拓扑绝缘体量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、Majorana费米子和/或拓扑磁电效应。

拓扑绝缘体具有奇特的拓扑电子态，有望对电子学、自旋电子学和自容错拓扑量子计算带来革命性的推动。这一崭新的拓扑量子系统自近年问世以来就一直受到物理学界的广泛关注。.本项目中，我们利用分子束外延技术在各种单晶衬底上制备高质量拓扑绝缘体(Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3和Bi2Se2Te)薄膜、掺杂拓扑绝缘体薄膜以及磁性或超导材料（Bi2Te3/NbSe2, Bi2Se3/NbSe2）异质结，利用极端条件扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱研究其电子结构，结合输运测试研究拓扑电子态的宏观输运性质，研究因磁性和超导态的导入而引发的新的量子现象，并已取得若干突破性进展，产生了一批具有国际影响力的重要成果。特别是实验上实现了量子反常霍尔效应和探测Majorana费米子态，这两项工作都是世界基础物理研究领域的重要科学发现。.1）我们生长了Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜并将其制备成输运器件。在30mK极低温下，我们观测到此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2 ～ 25800欧姆，从而首次在实验上证实了量子反常霍尔效应的存在。这一研究成果，同1980年发现的量子霍尔效应和2007年发现的量子自旋霍尔效应一起，实现了完整的量子霍尔家族三重奏。此项发现为多种新奇量子效应的实现铺平了道路，并可促进新一代低能耗电子器件的开发。目前，我们通过Cr-V共掺杂的方法改善了磁性拓扑绝缘体薄膜的磁学性质，已将量子反常霍尔效应实现温度提高到300 mK。.2）我们结合扫描隧道显微镜与角分辨光电子谱两种实验手段，证实了在外延于常规s波超导体NbSe2单晶上的Bi2Se3薄膜表面上，拓扑表面态与超导态共存。这一成果为探寻Majorana费米子提供了一个极具潜力的实验平台，也为进一步掌握和调控拓扑绝缘体的拓扑电子态找到了重要的突破口。进一步，我们首次在外延于NbSe2单晶上的拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜表面观察到了量子磁通涡旋以及位于磁通涡旋中心的Andreev局域态，证实了Bi2Te3薄膜表面上观测到的超导特性的确来源于其拓扑表面态。并且，我们利用自旋分辨扫描隧道显微镜观测到Bi2Te3表面超导涡旋中心态的自旋选择性隧穿现象，验证了Majorana零能模的存在。这一工作提供了研究Majorana零能模的相关实验探测方法，推进了其在量子计算方面的实验研究。