張首晟實驗工作成果介紹課件

張首晟實驗工作成果介紹——拓撲絕緣體理論簡介張首晟實驗工作成果介紹——拓撲絕緣體理論簡介1個人簡介張首晟，漢族，美國華裔科學家。因在“量子自旋霍爾效應”理論預言和實驗觀測領域的開創(chuàng)性貢獻，張首晟與4位歐美科學家共同榮獲2010年“歐洲物理獎”，是獲得該獎項的首位華人科學家。主要貢獻包括對拓撲絕緣體、量子自旋霍爾效應、自旋電子學、高溫超導等領域的研究。2006年，張首晟提出提出拓撲絕緣體理論的材料實現(xiàn)方案，即通過控制電子的自旋運動來降低能耗。2007年，張首晟成為世界上第一個以實驗結果來證實拓撲絕緣體理論的學者，他的理論和實踐為信息技術帶來了革命性發(fā)展。同年其領導的研究團隊提出“量子自旋霍爾效應”，首次從實驗中觀測到量子反常霍爾效應。張首晟還將量子力學、狹義相對論和廣義相對論統(tǒng)一起來，從而建立起“大統(tǒng)一場理論”。個人簡介張首晟，漢族，美國華裔科學家。因在“量子自旋霍爾效應2拓撲絕緣體簡介拓撲絕緣體是一種新的量子物態(tài)。拓撲絕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電性質分為絕緣體、導體和半金屬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，進而擁有自由載流子；半金屬材料在費米能處沒有能隙，但是費米能級處的電子態(tài)密度仍然為零從理論上分析，拓撲材料的體內的能帶結構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)，因而導致其表面總是金屬性的。其特殊的電子結構，是由其能帶結構的特殊拓撲性質所決定的。拓撲絕緣體簡介拓撲絕緣體是一種新的量子物態(tài)。拓撲絕緣體是一3這類材料是純的化學相，非常穩(wěn)定且容易合成這類材料表面態(tài)中只有一個狄拉克點存在，是最簡單的強拓撲絕緣體，這種簡單性為理論模型的研究提供了很好的平臺該材料的體能隙非常大，遠遠超出室溫能量尺度，這也意味著有可能實現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子器件拓撲絕緣體特性這類材料是純的化學相，非常穩(wěn)定且容易合成拓撲絕緣體特性4拓撲絕緣體原理晶格周期性勢場中運動粒子的薛定諤方程：布洛赫定理：一、能帶理論拓撲絕緣體原理晶格周期性勢場中運動粒子的薛定諤5二、導體和絕緣體的能帶示意圖其中(a)為導體,(b)為普通絕緣體,(c)為量子霍爾絕緣體,(d)為時間反演不變的拓撲絕緣體圖中黑色實線代表費米面,虛線代表邊緣態(tài),對于絕緣體來說,費米面處在禁帶之中。當樣品有邊界時,禁帶之間存在著受到拓撲保護的邊緣態(tài)(如(c)和(d)),這些邊緣態(tài)連接體系的價帶頂和導帶底二、導體和絕緣體的能帶示意圖6三、整數(shù)量子霍爾效應人們在研究強磁場中的二維電子氣時,發(fā)現(xiàn)它的橫向霍爾電導在外磁場改變時會在e2/h的整數(shù)倍處出現(xiàn)平臺三、整數(shù)量子霍爾效應人們在研究強磁場中的二維電7四、拓撲絕緣體的邊緣態(tài)示意圖（a）破壞時間反演的整數(shù)霍爾系統(tǒng)（b）時間反演不變的自旋霍爾絕緣體,其中的灰色實線和灰色虛線是一對時間反演共軛對四、拓撲絕緣體的邊緣態(tài)示意圖8拓撲絕緣體發(fā)展歷程1879年，Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應1980年，VonKlitzing在硅的金屬一氧化物一半導體場效應管(MOSFET)中首次觀測到整數(shù)量子霍爾效應(QHE）2005年和2006年，Kane和張首晟等人分別預言，利用電子的自旋一軌道耦合，在零磁場下QSHE態(tài)即可實現(xiàn)，而實現(xiàn)它的體系，就是二維拓撲絕緣體2006年，張首晟的研究組獨立地提出了一種實現(xiàn)QSHE的一般理論，并預言了HgTe／CdTe超晶格結構可以實現(xiàn)QSHE2007年，德國的Molenkamp研究組通過實驗證實了這一理論預言。2007年，Kane預言二元鉍銻合金是一種三維拓撲絕緣體，稱為強拓撲絕緣體拓撲絕緣體發(fā)展歷程1879年，Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應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是三維拓撲絕緣體2009年，中國科學院物理研究所的方忠、戴希研究員與張首晟教授合作，預言了一類全新的拓撲絕緣體：Bi2Se3、Bi2Te3以及Sb2Te3．被稱為第二代拓撲絕緣體2008年，Hasan研究組利用角分辨光電子能譜(ARPES10拓撲絕緣體的應用拓撲絕緣體納米材料的透明柔性導電薄膜，拓撲絕緣體(Bi2Se3,Bi2Te3,Sb2Te3)二維納米材料的自旋分辨、受時間反演對稱保護的表面態(tài)、大的比表面積，賦予了拓撲絕緣體在寬波段、高性能光電器件(比如:光探測器、太赫茲激光、波引導、透明電極)上的應用潛力拓撲絕緣體的應用拓撲絕緣體納米材料的透明11未來應用領域低能耗和高速晶體管自旋電子學器件拓撲量子計算基于拓撲磁電效應的磁存儲器件熱電效應、催化與能源技術多鐵性質與應用探索光學響應及非線性光學未來應用領域低能耗和高速晶體管12拓撲絕緣體展望及瓶頸展望：通過研究其輸運性質,能夠在實驗上直接觀測到拓撲絕緣體的表面金屬態(tài),并探索其可能的實際應用前景未來拓撲絕緣體材料在晶體管、存儲設備以及磁性傳感器等能耗效率高的產品領域均有很大的應用前景在拓撲絕緣體薄膜中實現(xiàn)量子化反常霍爾效應瓶頸：尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學穩(wěn)定性的強拓撲絕緣體材料成為了人們目前關注的重要焦點和難點拓撲絕緣體展望及瓶頸展望：13相關文獻鐵磁石墨烯體系的CT不變量子自旋霍爾效應---孫慶豐,謝心澄拓撲絕緣體Bi2Se3單晶體的研究進展。---呂莉，張敏，楊立芹，羊新勝，趙勇拓撲絕緣體表面態(tài)調控的第一性原理研究---劉文亮First-principlesCalculationsontheInteractionsbetweenTopologicalInsulatorSurfaceStatesandtheAdsorbedMagneticAtoms（拓撲絕緣體表面態(tài)與磁性原子相互作