拓扑晶态绝缘体的薄膜生长及能带调控

Topological crystalline insulators are new states of matter in which the topological nature of electronic structures arises from crystal symmetries. Theory predicts that the robust surface states exist with an even number of Dirac cones on high symmetric planes, instead of low symmetric ones. This new state of matter is fundamentally different from the traditional topological insulators: its surface states are not originated from a strong spin-orbit coupling but are from crystal symmetry. Therefore it is critical to understand the relation between the topological states and their crystal symmetry and to explore how to control the band structure/surface/edge states. In this project, we will first grow high-quality single crystalline Pb1-xSnxTe(Se) with molecular beam epitaxy. By systematically controlling Pb composition, film thickness, crystal orientation and measurement temperature, we aims to study the phase transitions of topological non-trivial to trivial states and 3-D to 2-D topological insulators. Combining theory, we will carry out the electrical and magnetic field controlled surface states/edge states. It is anticipated that this project may pave the way towards the discovery of quantized anomalous Hall effect and quantum spin hall effect in this system.

拓扑晶态绝缘体是一种由晶格对称性所引起的新型拓扑绝缘体。理论预测，拓扑晶态绝缘体在低对称性的晶面上不存在拓扑态，而在高对称性晶体表面具有导电的拓扑态，这与由时间反演对称性保护的传统拓扑态完全不同：其表面态的存在不依赖于自旋轨道耦合，而取决于晶体的对称性。因此研究如何利用和控制晶体的对称性成为拓扑晶态绝缘体的关键问题，而由此所带来的能带结构以及表面态的调控成为本领域的热点和难点。本课题将首先运用分子束外延技术生长高质量的Pb1-xSnxTe(Se)单晶薄膜,通过连续变化Pb组分、控制薄膜厚度、改变晶向以及测试温度，研究拓扑非平庸态到平庸态的相变过程以及在同一体系中实现三维拓扑态到二维拓扑态的转变。并在此基础上，结合理论，开展一系列表面态和边缘态调控方面的工作，例如运用电场和磁场进行调控。本课题的成果将为实现令人激动的量子化反常霍尔效应和量子自旋霍尔效应提供一定的实验基础和经验。

在最近几年的拓扑绝缘体研究工作中，科学家们在理论预言、材料制备和机理研究等各方面做出了突破性工作，取得了卓越成果。而拓扑晶态绝缘体（TCI）是一个相对较新的概念，其存在不取决于自旋轨道耦合（时间反演保护），也不会因为磁性元素的掺杂而影响表面态。其材料特性是由新的参数Mirror Chern Number决定的，也就是晶体的对称性。所以，从某种意义上来说， TCI是一个“颠覆性”的概念，它大大扩展了拓扑绝缘体的研究范围。因此，对于TCI新型材料，其生长、性能测试以及调控方面都有很大的探索空间。项目负责人利用分子束外延技术生长了高质量Pb掺杂的拓扑晶态绝缘体薄膜材料，Pb1-xSnxSe和Pb1-xSnxTe。结合角分辨电子能谱仪(ARPES)、XRD和电输运等手段探索了TCI晶向、厚度与表面能带结构的关系，了解了随着Pb掺杂和测试温度由非平庸（non-trivial）到平庸态(trivial)的相变过程， 研究了在同一体系中三维拓扑态到二维拓扑态随厚度的转变以及其主要的影响参数（Critical Thickness）。并在此基础上，开展一系列表面态、边缘态调控方面的工作，包括运用电场和磁场调控。项目负责人同时扩展了材料体系，对拓扑半金属的表面态进行了测量和调控。利用稳态强磁场在拓扑半金属砷化镉纳米片中探测到由表面态费米弧和体态手性能级构成的一种新型电子回旋轨道-外尔轨道，并首次发现其在强场下的三维量子霍尔效应。利用稳态强磁场在拓扑半金属砷化镉纳米片中成功实现手性反常（chiral anomaly）的能谷非局域输运，该结果为外尔半金属中的手性反常现象在实验上提供了首次可靠的定量测量，并给出了手性反常的一个重要参数，能谷散射特征长度。在国际重要期刊Nature, Nature Communications上发表8篇论文（通讯作者）。在拓扑领域产生了一定的影响力，为拓扑新材料在信息学科中的进一步发展奠定了基础。