拓扑保护的宏观量子态调控研究

量子霍尔态和拓扑绝缘体是两类在概念上相通、物理内涵都很丰富的宏观量子态。理论预言两者都可以为具有非阿贝尔统计性质的Majorana费米子的存在提供物理基础，从而有希望实现拓扑量子计算这一新型量子信息处理方式。虽然这方面研究难度极高，但目前还是因其巨大的科学价值和潜在的变革性应用而受物理学界广泛关注。本项目申请团队计划发挥团队成员多年来在低维电子体系，特别是最近在量子霍尔物理和拓扑绝缘体领域的研究积累的基础上，争取进一步发展可调控拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长技术，改善基于半导体和拓扑绝缘体的器件微纳加工工艺，以极低温、强磁场下的电子输运为主要测量手段，并结合核磁共振等波谱学技术，系统地研究分数量子霍尔态和拓扑绝缘体表面态的基本性质、电子的基本相互作用机制和相关的量子相变等，并以电场、磁场和表面/界面工程等为手段调控这些量子态，力图发现新的量子效应和实现探测和调控量子态的新方法。

近年来发现的二维和三维拓扑绝缘体在很大程度上丰富了拓扑量子物态。与三十余 年前在半导体二维电子系统中发现的整数和分数量子霍尔态不同，这些新的拓扑物态不需要外磁场即可存在。由于材料选择众多，他们为基础和应用研究都提供了广阔的空间。我们提出使用电子输运及谱学测量对半导体二维电子系统中的量子霍尔态和拓扑绝缘体表面态这两类拓扑量子态进行调控研究，以发现新现象和揭示新机理。在过去四年中，我们不仅按照计划开展了对拓扑绝缘体表面态和量子霍尔态的相关研究，并且在一些潜在的新型拓扑量子体系（如硅烯和HgCr2Se4）的研究中取得了一些重要进展。主要成果如下：. 1. 在SrTiO3衬底上外延生长出高质量的三元拓扑绝缘体(Bi1-xSbx)2Te3薄膜，获得了体内较为绝缘的样品，利用栅压调控实现了全范围的化学势调控；提出了使用平行磁场中的磁阻对拓扑绝缘体上下表面耦合及体态导电进行灵敏的探测；在磁性绝缘体衬底上外延生长出拓扑绝缘体薄膜，并观察到界面相互作用；在超薄膜中观察到从反弱局域化到安德森局域化的转变，澄清了负磁阻的来源。这些结果深化了对拓扑绝缘体的认识，有助于在将来研究中发现新奇的量子效应。. 2.对半填充的朗道能级(nu=1/2)、nu=2/3和nu=1量子霍尔态的自旋物理进行了系统的研究，发现利用nu=1/2态组合费米子的加热效应可实现对原子核自旋极化率的操控。把这一效应与nu=1/2和2/3态下的自旋相关输运相结合，实现了全电学的原子核自旋弛豫测量。我们用这一方法研究了nu=1及附近的电子态在极低温下的自旋结构。. 3. 在Ag(111)衬底上外延生长出了根3x根3结构的硅烯薄膜，并使用准粒子干涉方法得到了线性色散的证据；利用扫描隧道显微镜并结合理论计算研究了硅烯薄膜在低温下的结构相变；对硅烯进行了氢吸附的研究，澄清了氢吸附的机理，发现在一定条件下该过程可逆，并获得了半硅烷结构。这些工作在很大程度上推动了关于硅烯这种新型二维材料的研究。. 4. 深入研究了铁磁外尔半金属候选材料HgCr2Se4的电子输运和磁学性质，利用安德列夫反射谱方法测量了n型样品的电子自旋极化率，结果与理论预言的极性(半)金属性(half-metallicity)相符；观察到近5个数量级的庞磁电阻效应，提出了一个磁极化子形成的机制。