張首晟實(shí)驗(yàn)工作成果介紹課件

張首晟實(shí)驗(yàn)工作成果介紹——拓?fù)浣^緣體理論簡介張首晟實(shí)驗(yàn)工作成果介紹——拓?fù)浣^緣體理論簡介1個(gè)人簡介張首晟，漢族，美國華裔科學(xué)家。因在“量子自旋霍爾效應(yīng)”理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)觀測領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，張首晟與4位歐美科學(xué)家共同榮獲2010年“歐洲物理獎(jiǎng)”，是獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的首位華人科學(xué)家。主要貢獻(xiàn)包括對(duì)拓?fù)浣^緣體、量子自旋霍爾效應(yīng)、自旋電子學(xué)、高溫超導(dǎo)等領(lǐng)域的研究。2006年，張首晟提出提出拓?fù)浣^緣體理論的材料實(shí)現(xiàn)方案，即通過控制電子的自旋運(yùn)動(dòng)來降低能耗。2007年，張首晟成為世界上第一個(gè)以實(shí)驗(yàn)結(jié)果來證實(shí)拓?fù)浣^緣體理論的學(xué)者，他的理論和實(shí)踐為信息技術(shù)帶來了革命性發(fā)展。同年其領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)提出“量子自旋霍爾效應(yīng)”，首次從實(shí)驗(yàn)中觀測到量子反?；魻栃?yīng)。張首晟還將量子力學(xué)、狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來，從而建立起“大統(tǒng)一場理論”。個(gè)人簡介張首晟，漢族，美國華裔科學(xué)家。因在“量子自旋霍爾效應(yīng)2拓?fù)浣^緣體簡介拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物態(tài)。拓?fù)浣^緣體是一類非常特殊的絕緣體，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)體和半金屬絕緣體材料在其費(fèi)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(fèi)米能級(jí)處存在著有限的電子態(tài)密度，進(jìn)而擁有自由載流子；半金屬材料在費(fèi)米能處沒有能隙，但是費(fèi)米能級(jí)處的電子態(tài)密度仍然為零從理論上分析，拓?fù)洳牧系捏w內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)是典型的絕緣體類型，在費(fèi)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。其特殊的電子結(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^緣體簡介拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物態(tài)。拓?fù)浣^緣體是一3這類材料是純的化學(xué)相，非常穩(wěn)定且容易合成這類材料表面態(tài)中只有一個(gè)狄拉克點(diǎn)存在，是最簡單的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，這種簡單性為理論模型的研究提供了很好的平臺(tái)該材料的體能隙非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出室溫能量尺度，這也意味著有可能實(shí)現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子器件拓?fù)浣^緣體特性這類材料是純的化學(xué)相，非常穩(wěn)定且容易合成拓?fù)浣^緣體特性4拓?fù)浣^緣體原理晶格周期性勢場中運(yùn)動(dòng)粒子的薛定諤方程：布洛赫定理：一、能帶理論拓?fù)浣^緣體原理晶格周期性勢場中運(yùn)動(dòng)粒子的薛定諤5二、導(dǎo)體和絕緣體的能帶示意圖其中(a)為導(dǎo)體,(b)為普通絕緣體,(c)為量子霍爾絕緣體,(d)為時(shí)間反演不變的拓?fù)浣^緣體圖中黑色實(shí)線代表費(fèi)米面,虛線代表邊緣態(tài),對(duì)于絕緣體來說,費(fèi)米面處在禁帶之中。當(dāng)樣品有邊界時(shí),禁帶之間存在著受到拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊緣態(tài)(如(c)和(d)),這些邊緣態(tài)連接體系的價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底二、導(dǎo)體和絕緣體的能帶示意圖6三、整數(shù)量子霍爾效應(yīng)人們?cè)谘芯繌?qiáng)磁場中的二維電子氣時(shí),發(fā)現(xiàn)它的橫向霍爾電導(dǎo)在外磁場改變時(shí)會(huì)在e2/h的整數(shù)倍處出現(xiàn)平臺(tái)三、整數(shù)量子霍爾效應(yīng)人們?cè)谘芯繌?qiáng)磁場中的二維電7四、拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)示意圖（a）破壞時(shí)間反演的整數(shù)霍爾系統(tǒng)（b）時(shí)間反演不變的自旋霍爾絕緣體,其中的灰色實(shí)線和灰色虛線是一對(duì)時(shí)間反演共軛對(duì)四、拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)示意圖8拓?fù)浣^緣體發(fā)展歷程1879年，Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)1980年，VonKlitzing在硅的金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)中首次觀測到整數(shù)量子霍爾效應(yīng)(QHE）2005年和2006年，Kane和張首晟等人分別預(yù)言，利用電子的自旋一軌道耦合，在零磁場下QSHE態(tài)即可實(shí)現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)它的體系，就是二維拓?fù)浣^緣體2006年，張首晟的研究組獨(dú)立地提出了一種實(shí)現(xiàn)QSHE的一般理論，并預(yù)言了HgTe／CdTe超晶格結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)QSHE2007年，德國的Molenkamp研究組通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一理論預(yù)言。2007年，Kane預(yù)言二元鉍銻合金是一種三維拓?fù)浣^緣體，稱為強(qiáng)拓?fù)浣^緣體拓?fù)浣^緣體發(fā)展歷程1879年，Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)92008年，Hasan研究組利用角分辨光電子能譜(ARPES)研究了Bi1-xSbx。的表面態(tài)，證明了Bi1-xSbx是三維拓?fù)浣^緣體2009年，中國科學(xué)院物理研究所的方忠、戴希研究員與張首晟教授合作，預(yù)言了一類全新的拓?fù)浣^緣體：Bi2Se3、Bi2Te3以及Sb2Te3．被稱為第二代拓?fù)浣^緣體2008年，Hasan研究組利用角分辨光電子能譜(ARPES10拓?fù)浣^緣體的應(yīng)用拓?fù)浣^緣體納米材料的透明柔性導(dǎo)電薄膜，拓?fù)浣^緣體(Bi2Se3,Bi2Te3,Sb2Te3)二維納米材料的自旋分辨、受時(shí)間反演對(duì)稱保護(hù)的表面態(tài)、大的比表面積，賦予了拓?fù)浣^緣體在寬波段、高性能光電器件(比如:光探測器、太赫茲激光、波引導(dǎo)、透明電極)上的應(yīng)用潛力拓?fù)浣^緣體的應(yīng)用拓?fù)浣^緣體納米材料的透明11未來應(yīng)用領(lǐng)域低能耗和高速晶體管自旋電子學(xué)器件拓?fù)淞孔佑?jì)算基于拓?fù)浯烹娦?yīng)的磁存儲(chǔ)器件熱電效應(yīng)、催化與能源技術(shù)多鐵性質(zhì)與應(yīng)用探索光學(xué)響應(yīng)及非線性光學(xué)未來應(yīng)用領(lǐng)域低能耗和高速晶體管12拓?fù)浣^緣體展望及瓶頸展望：通過研究其輸運(yùn)性質(zhì),能夠在實(shí)驗(yàn)上直接觀測到拓?fù)浣^緣體的表面金屬態(tài),并探索其可能的實(shí)際應(yīng)用前景未來拓?fù)浣^緣體材料在晶體管、存儲(chǔ)設(shè)備以及磁性傳感器等能耗效率高的產(chǎn)品領(lǐng)域均有很大的應(yīng)用前景在拓?fù)浣^緣體薄膜中實(shí)現(xiàn)量子化反?；魻栃?yīng)瓶頸：尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學(xué)穩(wěn)定性的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體材料成為了人們目前關(guān)注的重要焦點(diǎn)和難點(diǎn)拓?fù)浣^緣體展望及瓶頸展望：13相關(guān)文獻(xiàn)鐵磁石墨烯體系的CT不變量子自旋霍爾效應(yīng)---孫慶豐,謝心澄拓?fù)浣^緣體Bi2Se3單晶體的研究進(jìn)展。---呂莉，張敏，楊立芹，羊新勝，趙勇拓?fù)浣^緣體表面態(tài)調(diào)控的第一性原理研究---劉文亮First-principlesCalculationsontheInteractionsbetweenTopologicalInsulatorSurfaceStatesandtheAdsorbedMagneticAtoms（拓?fù)浣^緣體表面態(tài)與磁性原子相互作用的第一次原理研究）---ByHehuaLiuSupervisor：ShunfangLi拓?fù)浣^緣體及其研究進(jìn)展---葉飛、蘇剛拓?fù)浣^緣體中的拓?fù)淞孔踊芯?--藍(lán)元培相關(guān)文獻(xiàn)鐵磁石墨烯體系的CT不變量子自旋霍爾效應(yīng)---孫慶豐14謝謝大家謝謝大家15張首晟實(shí)驗(yàn)工作成果介紹——拓?fù)浣^緣體理論簡介張首晟實(shí)驗(yàn)工作成果介紹——拓?fù)浣^緣體理論簡介16個(gè)人簡介張首晟，漢族，美國華裔科學(xué)家。因在“量子自旋霍爾效應(yīng)”理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)觀測領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，張首晟與4位歐美科學(xué)家共同榮獲2010年“歐洲物理獎(jiǎng)”，是獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的首位華人科學(xué)家。主要貢獻(xiàn)包括對(duì)拓?fù)浣^緣體、量子自旋霍爾效應(yīng)、自旋電子學(xué)、高溫超導(dǎo)等領(lǐng)域的研究。2006年，張首晟提出提出拓?fù)浣^緣體理論的材料實(shí)現(xiàn)方案，即通過控制電子的自旋運(yùn)動(dòng)來降低能耗。2007年，張首晟成為世界上第一個(gè)以實(shí)驗(yàn)結(jié)果來證實(shí)拓?fù)浣^緣體理論的學(xué)者，他的理論和實(shí)踐為信息技術(shù)帶來了革命性發(fā)展。同年其領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)提出“量子自旋霍爾效應(yīng)”，首次從實(shí)驗(yàn)中觀測到量子反?；魻栃?yīng)。張首晟還將量子力學(xué)、狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來，從而建立起“大統(tǒng)一場理論”。個(gè)人簡介張首晟，漢族，美國華裔科學(xué)家。因在“量子自旋霍爾效應(yīng)17拓?fù)浣^緣體簡介拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物態(tài)。拓?fù)浣^緣體是一類非常特殊的絕緣體，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)體和半金屬絕緣體材料在其費(fèi)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(fèi)米能級(jí)處存在著有限的電子態(tài)密度，進(jìn)而擁有自由載流子；半金屬材料在費(fèi)米能處沒有能隙，但是費(fèi)米能級(jí)處的電子態(tài)密度仍然為零從理論上分析，拓?fù)洳牧系捏w內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)是典型的絕緣體類型，在費(fèi)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。其特殊的電子結(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^緣體簡介拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物態(tài)。拓?fù)浣^緣體是一18這類材料是純的化學(xué)相，非常穩(wěn)定且容易合成這類材料表面態(tài)中只有一個(gè)狄拉克點(diǎn)存在，是最簡單的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，這種簡單性為理論模型的研究提供了很好的平臺(tái)該材料的體能隙非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出室溫能量尺度，這也意味著有可能實(shí)現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子器件拓?fù)浣^緣體特性這類材料是純的化學(xué)相，非常穩(wěn)定且容易合成拓?fù)浣^緣體特性19拓?fù)浣^緣體原理晶格周期性勢場中運(yùn)動(dòng)粒子的薛定諤方程：布洛赫定理：一、能帶理論拓?fù)浣^緣體原理晶格周期性勢場中運(yùn)動(dòng)粒子的薛定諤20二、導(dǎo)體和絕緣體的能帶示意圖其中(a)為導(dǎo)體,(b)為普通絕緣體,(c)為量子霍爾絕緣體,(d)為時(shí)間反演不變的拓?fù)浣^緣體圖中黑色實(shí)線代表費(fèi)米面,虛線代表邊緣態(tài),對(duì)于絕緣體來說,費(fèi)米面處在禁帶之中。當(dāng)樣品有邊界時(shí),禁帶之間存在著受到拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊緣態(tài)(如(c)和(d)),這些邊緣態(tài)連接體系的價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底二、導(dǎo)體和絕緣體的能帶示意圖21三、整數(shù)量子霍爾效應(yīng)人們?cè)谘芯繌?qiáng)磁場中的二維電子氣時(shí),發(fā)現(xiàn)它的橫向霍爾電導(dǎo)在外磁場改變時(shí)會(huì)在e2/h的整數(shù)倍處出現(xiàn)平臺(tái)三、整數(shù)量子霍爾效應(yīng)人們?cè)谘芯繌?qiáng)磁場中的二維電22四、拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)示意圖（a）破壞時(shí)間反演的整數(shù)霍爾系統(tǒng)（b）時(shí)間反演不變的自旋霍爾絕緣體,其中的灰色實(shí)線和灰色虛線是一對(duì)時(shí)間反演共軛對(duì)四、拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)示意圖23拓?fù)浣^緣體發(fā)展歷程1879年，Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)1980年，VonKlitzing在硅的金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)中首次觀測到整數(shù)量子霍爾效應(yīng)(QHE）2005年和2006年，Kane和張首晟等人分別預(yù)言，利用電子的自旋一軌道耦合，在零磁場下QSHE態(tài)即可實(shí)現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)它的體系，就是二維拓?fù)浣^緣體2006年，張首晟的研究組獨(dú)立地提出了一種實(shí)現(xiàn)QSHE的一般理論，并預(yù)言了HgTe／CdTe超晶格結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)QSHE2007年，德國的Molenkamp研究組通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一理論預(yù)言。2007年，Kane預(yù)言二元鉍銻合金是一種三維拓?fù)浣^緣體，稱為強(qiáng)拓?fù)浣^緣體拓?fù)浣^緣體發(fā)展歷程1879年，Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)242008年，Hasan研究組利用角分辨光電子能譜(ARPES)研究了Bi1-xSbx。的表面態(tài)，證明了Bi1-xSbx是三維拓?fù)浣^緣體2009年，中國科學(xué)院物理研究所的方忠、戴希研究員與張首晟教授合作，預(yù)言了一類全新的拓?fù)浣^緣體：Bi2Se3、Bi2Te3以及Sb2Te3．被稱為第二代拓?fù)浣^緣體2008年，Hasan研究組利用角分辨光電子能譜(ARPES25拓?fù)浣^緣體的應(yīng)用拓?fù)浣^緣體納米材料的透明柔性導(dǎo)電薄膜，拓?fù)浣^緣體(Bi2Se3,Bi2Te3,Sb2Te3)二維納米材料的自旋分辨、受時(shí)間反演對(duì)稱保護(hù)的表面態(tài)、大的比表面積，賦予了拓?fù)浣^緣體在寬波段、高性能光電器件(比如:光探測器、太赫茲激光、波引導(dǎo)、透明電極)上的應(yīng)用潛力拓?fù)浣^緣體的應(yīng)用拓?fù)浣^緣體納米材料的透明26未來應(yīng)用領(lǐng)域低能耗和高速晶體管自旋電子學(xué)器件拓?fù)淞孔佑?jì)算基于拓?fù)浯烹娦?yīng)的磁存儲(chǔ)器件熱電效應(yīng)、催化與能源技術(shù)多鐵性質(zhì)與應(yīng)用探索光學(xué)響應(yīng)及非線性光學(xué)未來應(yīng)用領(lǐng)域低能耗和高速晶體管27拓?fù)浣^緣體展望及瓶頸展望：通過研究其輸運(yùn)性質(zhì),能夠在實(shí)驗(yàn)上直接觀測到拓?fù)浣^緣體的表面金屬態(tài),并探索其可能的實(shí)際應(yīng)用前景未來拓?fù)浣^緣體材料在晶體管、存儲(chǔ)設(shè)備以及磁性傳感器等能耗效率高的產(chǎn)品領(lǐng)域均有很大的應(yīng)用前景在拓?fù)浣^緣體薄膜中實(shí)現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)瓶頸：尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學(xué)穩(wěn)定性的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體材料成為了人們目前關(guān)注的重要焦點(diǎn)和難點(diǎn)拓?fù)浣^緣體展望及瓶頸展望：28相關(guān)文獻(xiàn)鐵磁石墨烯體系的CT不變量子自旋霍爾效應(yīng)---孫慶豐,謝心澄拓?fù)浣^緣體Bi2Se3單晶體的研究進(jìn)展。---呂莉，張敏，楊立芹，羊新勝，趙勇拓?fù)浣^緣體表面態(tài)調(diào)控的第一性原理研究---劉文亮Firs