强磁场下金属铋一维纳米结构中的新奇量子行为探索

Bismuth was the first metal whose Fermi surface was experimentally identified. Electronic properties of bismuth have been extensively studied during the 20th century. It has recently attracted renewed interest due to the experimental observation of anomalous quantum oscillations at high magnetic fields. Comparing to the well studied bulk crystals, the quantum behaviors of low-dimensional nanostructures under high magnetic fields has not been explored deeply and need more investigations. In this project, we attempt to explore the exotic quantum behaviors of one dimensional nanostructures, including nanoribbons and ultrathin nanowires, at high magnetic fields and low temperatures. The quantum transport of nanoribbons with different thickness will be firstly studied. We hope to obtain information about quantum oscillations and surface states of the ribbons, which is helpful with understanding the anomalous quantum oscillations of the bulk crystals, and also for the surface states of the Bismuth-based topological insulators. Then the ultrathin nanowires with diameter of 10 nm will be studied. Beyond the quantum limit with a moderate magnetic field, the ultrathin nanowires will be tuned into a really one-dimensional quantum system and to be a good Candidate for exploring Luttinger liquid behavior which has never been found in one-dimensional metal system. The observation of Luttinger liquid behavior in ultrathin bismuth nanowires will a break through in condense matter physics. At last, the exotic quantum phenomenon of the nanoribbons and ultrathin nanowires under higher magnetic field (~45 T) will be explored. The proposed work is expected to shed new light on the nature of quantum phenomenon in bismuth, and providing chance to exploring new quantum phenomenon in low-dimensional bismuth nanostructures under high magnetic field.

金属铋（Bi）一直是研究宏观量子现象的理想材料，近年来在强磁场下（~31 T）在 Bi 单晶中发现了一系列新奇的量子现象，使这个材料再次引起了广泛关注。相对于块体单晶，金属Bi低维体系（特别是一维纳米体系）在强磁场下的量子行为研究还非常缺乏。本项目将利用强磁场中心的强磁场、极低温条件，对Bi一维纳米结构在强磁场下可能出现的各种新奇量子行为进行探索。项目将首先研究不同尺寸纳米带在强磁场下的量子振荡行为，并获得Bi金属表面态的有关信息；其次利用直径10nm左右的超细纳米线，探索强磁场下可能出现的Luttinger液体行为；同时利用强磁场中心的45T磁体，探索强磁场下单晶纳米带（线）中可能出现的其他的奇异量子现象等。相关的研究不仅能对Bi一维纳米体系有更深入的了解，而且能够为理解Bi块体单晶中的各种量子行为提供重要线索，同时能够对强磁场下的纳米尺度量子体系量子输运特性研究起到推动作用。

金属铋（Bi）是研究宏观量子现象的理想材料，近年来在 Bi 单晶中发现了一系列新奇的量子现象，使这个材料再次引起了广泛关注。相对于块体单晶，纳米尺度的金属Bi在强磁场下的量子行为研究还非常缺乏。本项目主要利用强磁场、极低温条件，对Bi纳米带和纳米线在强磁场下可能出现的各种新奇量子行为进行探索。项目执行期间，首先研究了不同厚度Bi单晶纳米带在强磁场（~31 T）、极低温（300mK）下的量子振荡行为。通过对单根纳米带期间在下的磁阻行为研究发现，在较薄的纳米带（~40 nm）中能观察到具有明显二维特征的Shubnikov-de Haas（SdH）量子振荡行为，而在厚的纳米带中（~120 nm），只观察到具有三维特征的SdH量子振荡行为。这些结果表明，薄纳米带中的输运行为由金属表面态主导，而厚纳米带的输运性质主要有内部的体电子来贡献。研究同时表明纳米带的二维表面态在空气中非常稳定的，并不因为表面的氧化过程而消失。这些实验结果清晰表明该金属表面态有可能是拓扑保护的，即Bi纳米带可能是由于量子尺寸效应而导致的新的拓扑绝缘体。本项目同时发现，在厚度100nm的纳米带中也存在线性磁电阻效应（linear magnetoresistance，LMR）效应，而且该LMR效应随温度表现出非线性效应，该非线性LMR与块体Bi单晶是显著不同的。研究同时发现室温和磁场强度16 T 时，LMR达到200%而且没有饱和迹象，在未来纳米尺度的电子器件和传感器上有潜在应用价值。此外项目还研究了不同直径的单晶铋纳米线，并发现了Bi纳米线中表面超导电性，且表面超导体积随直径减小而增加。研究表明纳米线中的超导电性与曲面应力诱导纳米线表面态的电子结构调制有关。该研究成果对深入理解纳米结构中拓扑绝缘体表面态的量子调控具有重要指导意义。本项目的研究结果不仅能对Bi一维纳米体系有更深入的了解，而且能够为理解Bi块体单晶中的各种量子行为提供线索，同时能够对强磁场下的低维物理研究起到良好的推动作用。