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頂級物理期刊PRL刊登劉軍豐課題組拓撲場效應管研究新進展
2019-11-22 19:18   審核人:

Physical Review Letters刊登劉軍豐課題組拓撲場效應管研究新進展

 

近日,我院物理系劉軍豐教授課題組在拓撲場效應管方面的理論研究取得重要進展,成功預測了一類新型拓撲場效應管----橫向遂穿場效應管。相關研究成果發表在頂級物理期刊《物理評論快報(Physical Review Letters, PRL)上。該研究成果由劉軍豐教授與南方科技大學的博士生徐勇、中國科技大學的博士生陳彥如、東南大學的汪軍教授、以及北京大學的馬中水教授共同合作完成。劉軍豐教授和馬中水教授為本文通訊作者。

 

拓撲絕緣體是一類特殊的絕緣體,體內絕緣但表面卻具有拓撲保護的邊緣態可供電子傳輸。更重要的是,這些邊緣態中的電子在一定程度上不怕雜質的散射,可以實現無耗散的電子輸運。這一性質使得拓撲材料在構筑無耗散電子器件、進而解決電子器件發熱問題上具有重要的潛在應用價值,被稱之為拓撲電子學。

拓撲材料除了提供無耗散的電子輸運通道之外,還可以用來實現拓撲場效應管。一般的拓撲場效應管的設計思路是控制拓撲材料的拓撲相變,也就是從拓撲絕緣體到普通絕緣體之間的相變。借此我們就能夠控制有還是沒有拓撲保護的邊緣態,從而實現電導的1或者0態。但可控的特別是由電場調控的拓撲相變在實驗上并不容易,使得拓撲場效應管的實現具有一定的困難。

該研究提供了一條設計拓撲場效應管的新思路,通過調控電子在拓撲邊緣態之間的遂穿過程而不是拓撲相變來實現電導的01態,從而避開了調控拓撲相變的困難。

我們知道,拓撲邊緣態雖然主要局域在邊界上,但仍然在體內以指數衰減的形式具有一定的趨入深度。在狹窄的二維拓撲絕緣體條帶中(圖1a),兩邊邊緣體的波函數將在體內具有一定的交疊(圖1c)。這一波函數的交疊將可以使電子從一邊的邊緣態遂穿到另一邊的邊緣態上去,從而實現橫向的電子輸運。這個遂穿過程可由縱向的電場來調控,而實現量子化的01電導平臺(圖3)。此遂穿過程可用簡單的量子力學一維散射問題來定性的描述。利用拓撲邊緣態之間的遂穿,我們可實現電場調控的沒有拓撲相變的拓撲場效應管(圖2)。

 

1:拓撲絕緣體邊緣態之間的有限尺寸效應以及在電場下的遂穿示意圖

 

2:兩種橫向遂穿拓撲場效應管設計示意圖

 

 

3:圖2a所示場效應管的能帶、電導、以及流分布

 

論文鏈接:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.206801

 

 

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