拓扑材料的自旋电子学应用的研究

Topological materials is a new state of matter: it is a gapped insulator in the bulk while on the boundary it is conducting state. The boundary state is called topological boundary state which is protected by topology and have special stability. We will focus on the spin texture and special transportation properties of topological boundary state and its application in spintronic devices. We will investigate all found topological states and find out those supporting position space spin texture and will prove the universality of such spin texture by using the effective field theory. The stability of spin texture is due to its not trivial topology which is protected by certain symmetry. We will investigate the effects on symmetry and topology caused by the disorder,dissipation, noise and interaction. The position space spin texture,and special transportation properties of topological edge states provide a new platform for the spintronics, our purpose is to design some quantum devices, such as a spin field effect transistor, qubits and quantum measure device making use of the quantum spin Hall effects. The defects in topological states, proximity effects and the finite size effects of topological boundary states will modify the transport properties and the spin texture of the topological boundary states. We will apply these to the control of spintronics devices. We will also collaborate with experimentalists to make the protypes of such topological material based spintronic devices.

拓扑材料是一类新的物质形态：在样品内部是有能隙的绝缘体态或超导体态，而在边界上是导电金属态。边界上的态称拓扑边界态，它受拓扑的保护，具有特殊的稳定性。我们将在拓扑边界态的位置空间自旋纹理和特殊输运性质及其自旋电子学应用做深入研究。我们先找出已经发现的拓扑态中可能存在自旋纹理的拓扑边界态，也将证明其普遍性。还将研究无序，相互作用，耗散和噪声对拓扑以及对拓扑边界态的影响，特别关注存在平均对称性的系统和可分离体系。利用拓扑边界态的特殊输运特性和自旋纹理，我们将设计一些自旋电子学器件，包括利用自旋纹理对参数的依赖做信息存储，利用极化的边界态做自旋场效应管，利用量子自旋霍尔效应做量子态测量等等。拓扑缺陷，近邻效应和拓扑边界态的有限尺寸效应，将对拓扑材料的输运性质和自旋纹理产生影响，我们考虑把它们应用于自旋电子学器件的调控上面。我们也考虑和实验物理学家合作，制作出拓扑材料的自旋电子学原型器件。

拓扑材料是一类新的物质形态：在样品内部是有能隙的绝缘体态或超导体态，而在边界上是导电金属态。边界上的态称拓扑边界态，它受拓扑的保护，具有特殊的稳定性，并且拓扑超导体的边界态还存在者Majorana费米子，可以诱导出共振的Andreev反射。我们在拓扑边界态的位置空间自旋纹理，自旋相关的输运性质及其自旋电子学应用做深入研究。主要研究内容包括四个层面，7个部分：.一，寻找有拓扑性质的拓扑材料；.我们研究了二维材料铅烯，发现在适当的掺杂情况下，可以实现中从普通绝缘体到拓扑绝缘体的转变。我们还对第四族元素二维材料也进行了系统研究，我们发现从元素C, Si,Ge, Sn到Pb，自旋轨道耦合相互作用也逐渐增强，但材料性质却从拓扑绝缘体转变为了一个普通绝缘体，我们解释了第四主族二维材料拓扑性质的这种奇特的演变。.二，对拓扑材料的自旋相关的输运性质进行研究；.我们对拓扑节点环超导体及其输运性质进行了研究，我们对这种具有拓扑特性的超导体的Andreev反射进行了研究，提出通Andreev反射来确定这种节环的存在的实验方案。Su-Schrieffer-Heeger模型是最简单的拓扑模型，我们考虑了相互作用对这个模型的拓扑相变、Majorana模式的影响，得出丰富的相图。并且设计了对这个模型进行量子模拟所需的电子线路。.三，利用其性质设计自旋电子学器件.对铅烯，我们设计通过外加电场和磁场，可以控制体系处在不同的拓扑相或者拓扑平庸相。对于第四族元素组成的材料，我们设计了一个自旋扭转器，可以实现对自旋极化的电流的极化方向进行扭转，实现极化电流的极化方向的转变。我们还设计了超导-铁磁自旋阀结构中，利用铁磁的极化方向的操作，来实现的非局域自旋纠缠。.四，.一些跟拓扑或者超导相关的其他问题的研究.我们对在单层MoS2中的超导转变温度随电子浓度变化先升后降进行了解释，这种超导穹顶是由于谷间声子散射驱动的。我们研究了Kerr黑洞在电磁场中的相变理论。.这个项目共发表SCI论文7篇，3篇Physical Review B、2篇New Journal of Physics、1篇Physical Chemistry Chemical Physics和1篇The Astrophysical Journal。