什么是拓?fù)浣^緣體?
拓?fù)浣^緣體是一種內(nèi)部絕緣,界面允許電荷移動的材料。
拓?fù)浣^緣體的概念 拓?fù)浣^緣體是一種內(nèi)部絕緣,界面允許電荷移動的材料。在拓?fù)浣^緣體的內(nèi)部,電子能帶結(jié)構(gòu)和常規(guī)的絕緣體相似,其費米能級位于導(dǎo)帶和價帶之間。在拓?fù)浣^緣體的表面存在一些特殊的量子態(tài),這些量子態(tài)位于塊體能帶結(jié)構(gòu)的帶隙之中,從而允許導(dǎo)電。這些量子態(tài)可以用類似拓?fù)鋵W(xué)中的虧格的整數(shù)表征,是拓?fù)湫虻囊粋特例。 按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同,材料可分為“導(dǎo)體”和“絕緣體”兩大類;而更進(jìn)一步,根據(jù)電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)的不同,“絕緣體”和“導(dǎo)體”還可以進(jìn)行更細(xì)致的劃分。拓?fù)浣^緣體就是根據(jù)這樣的新標(biāo)準(zhǔn)而劃分的區(qū)別于其他普通絕緣體的一類絕緣體。因而,拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)與人們通常認(rèn)識的絕緣體一樣,是絕緣的,但是在它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài),這是它有別于普通絕緣體的最獨特的性質(zhì)。這樣的導(dǎo)電邊緣態(tài)在保證一定對稱性(比如時間反演對稱性)的前提下是穩(wěn)定存在的,而且不同自旋的導(dǎo)電電子的運動方向是相反的,所以信息的傳遞可以通過電子的自旋,而不像傳統(tǒng)材料通過電荷來傳遞。 拓?fù)浣^緣體的特性 拓?fù)浣^緣體是一種具有新奇量子特性的物質(zhì)狀態(tài),物理學(xué)的重要科學(xué)前沿之一。根據(jù)能帶理論,傳統(tǒng)上固體材料可以按照其導(dǎo)電性質(zhì)分為絕緣體、導(dǎo)體和半金屬,其中絕緣體材料在其費米能處存在著有限大小的能隙,因而沒有自由載流子;金屬材料在費米能級處存在著有限的電子態(tài)密度,進(jìn)而擁有自由載流子;半導(dǎo)體材料在費米能處沒有能隙,但是費米能級處的電子態(tài)密度仍然為零。而拓?fù)浣^緣體是一類非常特殊的絕緣體,從理論上分析,這類材料的體內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)是典型的絕緣體類型,在費米能處存在著能隙,然而在該類材料的表面則總是存在著穿越能隙的狄拉克型的電子態(tài),因而導(dǎo)致其表面總是金屬性的。拓?fù)浣^緣體這一特殊的電子結(jié)構(gòu),是由其能帶結(jié)構(gòu)的特殊拓?fù)湫再|(zhì)所決定的。 拓?fù)浣^緣體的研究現(xiàn)狀: 第一代, HgTe量子井 第二代, BiSb 合金 第三代, Bi2Se3, Sb2Te3, Bi2Te3等化合物 從理論上說,拓?fù)浣^緣體是由電荷的U(1)對稱性以及時間反演對稱性共同保護(hù)的拓?fù)鋺B(tài)。只要U(1)對稱性和時間反演對稱性同時存在,拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)就一定是非平庸的,并且,這樣的邊緣態(tài)絕對不能在有同樣對稱性的低維度系統(tǒng)中實現(xiàn)。在理論上人們已經(jīng)意識到,其他的對稱性同樣可以保護(hù)類似的拓?fù)浣^緣體(或者拓?fù)涑瑢?dǎo)體,取決于對稱性中是否包括電荷的U(1)對稱性)。并且,從2009年以來,人們已經(jīng)對沒有相互作用的費米子系統(tǒng)的所有拓?fù)浣^緣體或者拓?fù)涑瑢?dǎo)體進(jìn)行了成功分類。2011年以來,拓?fù)浣^緣體的概念已經(jīng)被拓展成為一個更為寬泛的概念:symmetry protected topological states. 凝聚態(tài)理論物理學(xué)界已經(jīng)對各個維度的玻色子系統(tǒng)中的symmery protected topological states進(jìn)行了較為完整的分類。但是對于所有維度的有強相互作用的費米子系統(tǒng)中symmetry protected topological states的分類還沒有最后完成。 從現(xiàn)象上說,拓?fù)浣^緣體有其他絕緣體所不具備的特殊性質(zhì)。比如,根據(jù)理論預(yù)測,三維拓?fù)浣^緣體與超導(dǎo)體的界面上的vortex core中將會形成零能majorana 費米子,這一特點有可能實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎恪?/p> |

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