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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
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【前沿】清華拓撲絕緣體實驗研究獲突破性進展 已有1人參與
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清華拓撲絕緣體實驗研究獲突破性進展 【新聞中心訊】近日，清華大學(xué)物理系薛其坤、陳曦和賈金鋒等組成的研究團隊，在拓撲絕緣體的實驗研究方面取得一系列突破性進展。他們與中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）研究員馬旭村領(lǐng)導(dǎo)的研究組合作，利用分子束外延技術(shù)，在硅、碳化硅和藍寶石等單晶襯底上制備出了原子級平整的高質(zhì)量三維拓撲絕緣體（Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3）薄膜（見圖一所示的掃描隧道顯微鏡照片。照片尺寸：10納米10納米）。原位角分辨光電子能譜測量顯示，這些薄膜具有本征的絕緣體特征。三維拓撲絕緣體的量子薄膜的實現(xiàn)為理論預(yù)言的量子反常霍爾效應(yīng)、巨大熱電效應(yīng)、激子凝聚等新奇量子現(xiàn)象的研究提供了基礎(chǔ)，是在拓撲絕緣體材料制備方面的一個重要進展。利用這些高質(zhì)量的薄膜材料，他們發(fā)現(xiàn)了拓撲絕緣體特有的背散射缺失現(xiàn)象，從實驗上證明了拓撲量子態(tài)受時間反演對稱性的保護，觀察到了這種特殊的“兩維電子氣”在外磁場下的量子化行為（物理學(xué)上簡稱為“朗道量子化”，見圖二），證明了它具有無質(zhì)量狄拉克費米子的特征。  圖一  圖二 這一系列成果先后發(fā)表在Nature Physics 6, 584 (2010) 、Physical Review Letters 103, 266803 (2009)、Physical Review Letters 105, 076801 (2010)和Advance Material (2010)上。其中 “朗道量子化”的相關(guān)成果（Physical Review Letters 105, 076801 (2010)）發(fā)表的同時，美國物理學(xué)會的“Physics”欄目發(fā)表“Viewpoint”專欄文章，專題介紹了這一重要進展。 這一系列工作使得該團隊成為拓撲絕緣體實驗研究領(lǐng)域為數(shù)不多的國際領(lǐng)先研究組之一，在國際上產(chǎn)生了廣泛影響。在近兩年與拓撲絕緣體相關(guān)的高端國際會議（如2010和2011美國物理學(xué)會年會）上，團隊成員受邀，已作或即將作報告。 在研究過程中，該團隊與清華物理系王亞愚教授、朱邦芬院士，以及中科院、北京大學(xué)、香港大學(xué)、美國賓州大學(xué)的國際國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜颐芮泻献鳌Ｌ貏e值得一提的是，他們還與拓撲絕緣體的場論理論提出者（該領(lǐng)域的開創(chuàng)人之一）、斯坦福大學(xué)教授、清華大學(xué)高等研究院教授張首晟，以及清華校友、斯坦福大學(xué)教授祁曉亮等建立了理論實驗聯(lián)合攻關(guān)小組。9月1日，張首晟教授因其“量子自旋霍爾效應(yīng)理論預(yù)言和實驗觀測”領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻，與四位歐美科學(xué)家共同榮獲2010年“歐洲物理獎”，成為獲得該獎項的首位華人科學(xué)家。 目前，該聯(lián)合攻關(guān)小組正全力以赴，力爭在拓撲絕緣體的量子反常霍爾效應(yīng)、Majarona費米子等研究中取得突破。 拓撲絕緣體是近幾年才發(fā)現(xiàn)的一種新的物質(zhì)形態(tài)。眾所周知，通常的絕緣體材料（如陶瓷、玻璃等）不具有自由載流子，在常溫下不導(dǎo)電。拓撲絕緣體是一類非常特殊的絕緣體，由于自旋－軌道相互作用（相對論效應(yīng)），在這類絕緣材料的表面總是存在著無質(zhì)量狄拉克型的電子態(tài)，因而其表面總是金屬性的、導(dǎo)電的。電子是導(dǎo)電的載體，除了負有電荷以外，它還具有一種自旋的性質(zhì)，就如同地球繞著太陽運轉(zhuǎn)，而地球本身也在自轉(zhuǎn)一樣。在目前廣泛使用的計算機芯片中，電子的自轉(zhuǎn)狀態(tài)是不確定的。電子從晶體管的一端走到另一端的過程中，就如同要穿過一個雜亂無章的迪斯科舞場，不可避免地會發(fā)生碰撞，碰撞就會發(fā)熱，就會耗散熱量。在拓撲絕緣體中，電子自轉(zhuǎn)方向與電流方向之間存在著確定的關(guān)系。不同方向運動的電子像高速公路上相向行駛的汽車一樣各行其道，互不干擾，從而使能量耗散很低。 拓撲絕緣體的獨特性質(zhì)使其在低能耗電子器件和容錯量子計算等領(lǐng)域具有潛在的重要應(yīng)用價值，有可能對未來的信息技術(shù)產(chǎn)生革命性的影響。因此，拓撲絕緣體一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就迅速引起物理學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域科學(xué)家的極大興趣，是目前物理學(xué)的一個前沿研究方向。(供稿 物理系 編輯 露英) （http://news.tsinghua.edu.cn） |
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2樓2013-11-17 21:23:45
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