河南师范大学 河南师范大学 2012年年05月月11日日 薛其坤 清华大学物理系 薛其坤 清华大学物理系 拓扑绝缘体 一种新的量子材料拓扑绝缘体 一种新的量子材料 MBE Growth and STM ARPES Study 研 究 生研 究 生 李耀义 王广 张童 张翼 宋灿立 程鹏 朱燮刚 常翠祖 王以林 蒋烨平 文竞 毛寒青 李志 张文号 李渭 李耀义 王广 张童 张翼 宋灿立 程鹏 朱燮刚 常翠祖 王以林 蒋烨平 文竞 毛寒青 李志 张文号 李渭 致谢致谢 方忠 戴希 谢心澄方忠 戴希 谢心澄 物理研究所 北京大学 物理研究所 北京大学 张首晟祁晓亮张首晟祁晓亮 斯坦福大学 清华大学 斯坦福大学 清华大学 沈顺清沈顺清 香港大学 香港大学 张绳百张绳百 伦斯勒理工学院 伦斯勒理工学院 牛谦牛谦 德州大学奥斯汀分校 北京大学 德州大学奥斯汀分校 北京大学 刘荧刘荧 宾州大学 宾州大学 刘朝星刘朝星 乌兹堡大学 乌兹堡大学 王亚愚朱邦芬王亚愚朱邦芬 清华大学 清华大学 清华大学 清华大学 陈曦 贾金锋陈曦 贾金锋 上海交大 物 理 所 上海交大 物 理 所 马旭村 何柯 王立莉马旭村 何柯 王立莉 合作者 合作者 科技部 基金委科技部 基金委 OUTLINE 1 拓扑绝缘体简介拓扑绝缘体简介 2 拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长 MBE 及电子结构及电子结构 Bi2Te3 Bi2Se3 Sb2Te3 3 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 STM 研究研究 4 最新进展最新进展 5 展望展望 Can Moore s law keep going 0 100 200 300 400 500 0 50 350 250 180 130 10 070 05 Active Power Passive Power Device Leakage 3502501801301007050 500 500 400 300 200 100 0 Technology node nm Power density W cm 2 Power dissipation greatest obstacle for Moore s law Modern processor chips consume 100W of power of which about 20 is wasted in leakage through the transistor gates The traditional means of coping with increased power per generation has been to scale down the operating voltage of the chip but voltages are reaching limits due to thermal fluctuation effects Traffic jam inside chips today 微电子学 集成电路发展的瓶颈微电子学 集成电路发展的瓶颈 电子运动过程中受到的散射 电子运动过程中受到的散射 芯片发热 速度慢芯片发热 速度慢 Info highway for chips in the future 未来信息高速公路未来信息高速公路 自从近100年前超导量子态被发现以来 的一种新的量子态 自从近100年前超导量子态被发现以来 的一种新的量子态 拓扑量子态拓扑量子态 拓扑绝缘体 拓扑绝缘体 ConductorInsulator 材料的分类 能带理论材料的分类 能带理论 固体物理的能带论固体物理的能带论 Topology 拓扑学拓扑学 拓扑学是近代发展起来的一个研究连续性现象的数学分支 拓扑学主要研究几何图形在连续变换下的不变性质和不变量 g 0g 1 food tool g 1g 2g 3g 0 自由电子自由电子 m e E 1 2 mV2 固体材料中的电子固体材料中的电子 e m 近自由电子近似 近自由电子近似 E K 2 2m E K2 抛物线型的 能量色散关系 抛物线型的 能量色散关系 Valence Band Conduction Band Valence Band Conduction Band 一般绝缘体一般绝缘体 Spin up Spin down E K2 拓扑绝缘体拓扑绝缘体 圆锥形圆锥形 band twisting Strong spin orbit coupling Conductor Insulator Topological Insulator Insulating bulk conducting surface Spin Orbital Coupling 材料的分类 新 拓扑能带理论材料的分类 新 拓扑能带理论 g 1g 2g 3g 0 对拓扑绝缘体来讲 其性质与其能带拓扑结构有 关 与具体细节无关 对拓扑绝缘体来讲 其性质与其能带拓扑结构有 关 与具体细节无关 E K 的意义 光 的意义 光 E cp p k 无质量的狄拉克费米子无质量的狄拉克费米子 Graphene Dirac Fermions in 2D pcE 石墨烯的电子结构石墨烯的电子结构 Massless Dirac Fermions Effective speed of lightvF c 300 pcE F kvE kx ky Energy Eg Semiconductor Band Structure 22 2m k E 二维无质量的狄拉克费米体系 二维无质量的狄拉克费米体系 GrapheneTI Graphene Klein Paradox 2DEG without mass Linear n E Linear E Linear m E psudo spin Klein Paradox Linear n E Linear E Linear m E Localization Universal Two inequivalent massless Dirac points for each spin orientation in total four copies of massless Dirac fermions Odd number of massless Dirac fermions K K Spin 1 2 E 量子力学预期了 自旋 狭义相对论预期了 自旋轨道耦合 量子力学预期了 自旋 狭义相对论预期了 自旋轨道耦合 量子力学和狭义相对论量子力学和狭义相对论 Helical Spin Structure of 2D Massless Dirac Fermions Four seasons in a day One night in a year kx ky E Qi and Zhang Phys Today 2010 Hasan and Kane Rev Mod Phys 2010 Moore Nature 464 194 2010 Momentum Space Info highway for chips in the future Real Space Spintronics 1 未来的应用1 未来的应用 低能耗和高速晶体管 自旋电子学器件 拓扑量子计算 基于拓扑磁电效应的磁存储器件 热电效应 催化与能源技术 多铁性质与应用探索 光学响应及非线性光学 低能耗和高速晶体管 自旋电子学器件 拓扑量子计算 基于拓扑磁电效应的磁存储器件 热电效应 催化与能源技术 多铁性质与应用探索 光学响应及非线性光学 后摩尔时代的信息技术 后摩尔时代的信息技术 前沿科学研究前沿科学研究 量子反常霍尔效应 自旋霍尔效应 磁单极 量子反常霍尔效应 自旋霍尔效应 磁单极 Majorana费米子 分数量子统计 费米子 分数量子统计 Anyon 拓扑磁性绝缘体拓扑磁性绝缘体Axion研究研究 Dark matter on your desktop Wilczek Nature 458 129 2009 物质 反物质物质 反物质 CP不对称不对称 暗物质暗物质 轴子 轴子 标准模型标准模型 张首晟 祁晓亮等张首晟 祁晓亮等Science 323 1184 2009 磁单极磁单极 磁荷磁荷 1 2 2 1 1 2 ei 2 1 整数量子统计 分数量子统计 整数量子统计 分数量子统计 anyon 电荷 磁荷 任意子电荷 磁荷 任意子 anyon Majorana费米子费米子 费米子 粒子 反粒子费米子 粒子 反粒子 Ettore Majorana 1937年提出年提出 量子计算 量子计算 满足非阿贝尔统计的拓扑准 粒子进行位置交换操作 满足非阿贝尔统计的拓扑准 粒子进行位置交换操作 2D TI 自旋量子霍尔效应自旋量子霍尔效应in HgTe QW 张首晟张首晟 Science 2006 Molenkamp Science 2007 5 15 2 5 3 5 45 5 5 6 5 75 8 5 9 6 06 1 6 2 6 36 4 6 5 6 6 1 0 1 5 0 5 0 0 0 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 6 0 5 5 a t r oo m t e m p er a t u r e i n z i n c b l e nd e s t r u ct u r e a d ga p e eg y eV l a t ti c e c o n st a n t a 臸 臸0 正常绝缘体正常绝缘体 5 15 2 5 3 5 45 5 5 6 5 75 8 5 9 6 06 1 6 2 6 36 4 6 5 6 6 1 0 1 5 0 5 0 0 0 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 6 0 5 5 a t r oo m t e m p er a t u r e i n z i n c b l e nd e s t r u ct u r e a d ga p e eg y eV l a t ti c e c o n st a n t a 臸 臸0 拓扑绝缘体拓扑绝缘体 Science杂志 杂志 2007年十大科学进展年十大科学进展 Zhang et al Nat Phys 5 438 2009 Strong 3D Topological Insulators Xia et al Nat Phys 5 398 2009 Sb2Te3Bi2Te3 Bi2Se3 Bi2Se3 0 36eV Defects Interstitial impurities Substitutional impurities Se Bi vacancies Bi2Se3 Bi2Te3 Sb2Te3 Single crystals 1QL Top View 4 38 Se Bi Se Bi Se Se Bi Se Bi Se Side View 1 0nm Se 111 surface cleaving stoichiometric Science 2009 Novel Electronic Structure of 3D TI Bi2Te3 Fisher Stanford Bi2Se3 Cava Princeton Dirac Cone Nat Phys 2009 Shen Stanford Hasan Princeton Bulk is n type conductor Valence Band Conduction Band EF GaN p doping GaN ZnO high background carrier density N type Amano et al JJAP 28 L2112 1989 Nakamura et al APL 64 1687 1994 ZnO bulk insulating N2O2Se2 4 GaZnBi High Vapor Pressure O O 142 kJ m