拓扑绝缘体边沿的物理学

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2005年,凝聚态物理学家Charles Kane和Eugene Mele斟酌了石墨烯在低温下的运气。他们的事变致使发明了一种被称为“拓扑绝缘体”的新物资状况,它将开启材料科学的新时代。

“拓扑绝缘体是一种在其内部是绝缘体但在其外表上具有高导电性的材料,”加州大学圣巴巴拉分校助理物理学传授 Andrea Young说。在二维中,抱负的拓扑绝缘体在其边沿具有“弹道”电导,Young诠释说,这意味着穿过该地区的电子将碰到零电阻。

具有嗤笑意味的是,虽然Kane和Mele的事变将致使在种种材料中发明拓扑绝缘行动,但他们最初的展望 – 石墨烯中的拓扑绝缘体 – 仍未完成。

贫苦的中心是自旋 – 轨道耦合 – 一种微小的效应,个中电子的自旋与其缭绕原子核的轨道活动相互作用。关于一切拓扑绝缘体而言,自旋轨道耦合在石墨烯中异常弱,因而任何拓扑绝缘行动都会被石墨烯所支撑的外表发生的其他影响所吞没。

博士后研讨员约书亚岛说:“石墨烯中微小的自旋 – 轨道耦合很可惜,由于在实践中,关于二维拓扑绝缘体来讲,事变并没有那末好。“到目前为止,已知的二维拓扑绝缘体是无序的,而且不太轻易运用,”Island说。跟着电子行进的间隔,边沿处的电导趋于敏捷减小,这表明它阔别弹道。在石墨烯中完成拓扑绝缘体,这是一种异常圆满的二维材料,可认为低耗散弹道电路供应基本,或许构成拓扑庇护量子位的材料衬底。

如今,在 Nature,Island 期刊上宣布的着作中,Young和他们的合作者已找到了将石墨烯转变为拓扑绝缘体(TI)的要领。“该项目的目的是增添或加强石墨烯中的自旋轨道耦合,”主要作者岛说,并补充说多年来一向尝试获得有限的胜利。“如许做的一种要领是将一种具有异常大的自旋轨道耦合的材料与石墨烯严密打仗。愿望经由过程如许做,你的石墨烯电子将具有底层材料的这类特性,“他诠释道。

挑选的材料?在研讨了几种可能性后,研讨人员研讨了一种过渡金属二硫化物(TMD),它由过渡金属钨和硫属元素硒构成。与石墨烯相似,二硒化钨以二维单层情势存在,经由过程范德华力连系在一起,这是原子或份子之间相对较弱和间隔依靠的相互作用。但是,与石墨烯差别,TMD的较重原子致使更强的自旋轨道耦合。由此发生的器件特性是石墨烯的弹道电子电导,个中包括来自四周TMD层的强自旋轨道耦合。

“我们确切看到了扭转轨道耦合的异常显著的加强,”Island说。

“经由过程增加适当范例的自旋轨道耦合,Joshua能够发明这现实上致使了一个几乎在 拓扑上绝缘的新阶段 ,”Young说。他诠释说,在最初的主意中,拓扑绝缘体由单层石墨烯和强自旋轨道耦合构成。

“我们必需运用仅在石墨烯多层中可用的技能来建立准确范例的自旋轨道耦合,”Young诠释了他们运用石墨烯双层的试验。“所以你会获得一些近似于两个拓扑绝缘体叠加在一起的东西。”但是,功能上,Island的装备和其他已知的2D拓扑绝缘体一样 – 一切主要的边沿状况流传最少几微米,更长比其他已知的TI材料。

另外,依据Young的说法,这项事变间隔用石墨烯制作一个现实的拓扑绝缘体又向前迈进了一步。“理论研讨表明,以一样体式格局制作的石墨烯三层将构成真正的拓扑绝缘体。”

最主要的是,Island和Young完成的器件能够在拓扑绝缘相和通例绝缘体之间轻松调谐,而绝缘体不具有导电边沿状况。

“你能够将这些圆满的导体安排在你想要的任何地方,”他说,“这是没有人能够用其他材料做的事变。”

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