拓扑量子输运和器件
拓扑材料因具有拓扑保护且自旋轨道锁定的表面态而备受关注. 该领域的显著特点在于, 其理论预言与实验发现往往相互验证、紧密对照. 实验手段方面, 器件调控和量子输运测量虽显间接, 却因器件构型丰富、调控手段多样而具有较大的发展潜力和持续性. 特别是基于拓扑超导态的马约拉纳模的验证以及拓扑量子比特的构筑, 量子器件更显独特优势.
在拓扑材料的量子器件测量与调控方面, 其独特性使其形成了若干常用手段: 首先, 通过门调控化学势(费米能级)可区分体态与表面态的贡献, 从而验证表面态独特性质的存在; 其次, 通过磁场响应可探测到拓扑表面态的非常规信号, 如拓扑绝缘体纳米线的阿哈罗诺夫-玻姆效应的π相移、贝利曲率引发的弱局域到反弱局域的转变; 最后, 其与超导体的复合器件因具有拓扑超导态和拓扑量子比特的潜力而备受关注, 且材料选择面广, 衍生出丰富的实验结果, 如隧穿谱的零偏压电导峰、约瑟夫森结的4π振荡响应、马约拉纳岛的宇称转变等.
受《物理学报》编辑部委托, 我们邀请了该领域多位活跃的中青年科学家, 展示了这一领域的最新研究进展和未来发展趋势. 本专题内容涵盖新型拓扑物态中的奇异输运特征及拓扑超导体系的前沿进展. 其中, 新型拓扑物态的奇异输运特征部分包括: 拓扑界面态器件设计理论进展、磁性拓扑材料中贝利曲率驱动的非常规电输运行为、自旋简并节线半金属中表面态诱导的自旋相关散射、拓扑绝缘体中量子霍尔效应的研究进展、狄拉克量子材料中的输运理论进展、磁性拓扑绝缘体的量子输运现象及拓扑激子绝缘体的实验进展; 拓扑超导体系部分包括: 基于一维电子体系的超导复合器件和量子输运研究、拓扑半金属-超导体异质结的约瑟夫森效应及马约拉纳零能模的输运探测.
拓扑材料所揭示的物理现象极为丰富, 但目前面临的关键难题在于其应用开发. 显然, 拓扑量子输运与器件是最直接的应用突破口. 为此, 亟需更多年轻人投入这一领域、付出更大的努力, 挖掘出更多适于应用的拓扑材料, 并发展出更多性能优越的器件.
2025, 74 (7): 076401.
doi: 10.7498/aps.74.20250122
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随着对拓扑态体系理解的深入, 大家普遍认为非平庸的拓扑态直接关联于某些独特的拓扑界面. 基于这一思路, 通过构建不同的拓扑界面, 能够实现对不同自由度输运的调控. 目前, 拓扑界面态已经在多类拓扑体系中被实现, 并且在相关领域引起了广泛关注. 拓扑界面态主要表现出两个基本特点: (i)它是受拓扑保护的; (ii)由于两侧体系的不同又会展现出独特的输运性质. 特别地, 不同特性的拓扑界面态在空间自由度体系中会表现出新奇的拓扑输运特性. 这些输运特性是构建新型拓扑器件的重要理论基础. 结合我们近年的理论工作以及相关进展, 本综述介绍了基于拓扑界面态的可编程集成电路以及层电子学器件的最新进展与未来展望.
2025, 74 (7): 077401.
doi: 10.7498/aps.74.20241672
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低维电子材料与超导材料的复合体系一直是研究介观输运和低维超导特性的重要平台, 其中具有强自旋轨道耦合效应的低维结构与超导宏观量子态结合呈现出丰富的量子现象, 为探索新物性和研制新型拓扑量子器件提供了一个理想的平台. 采用高质量的一维电子材料构筑超导复合器件, 探索受限量子体系与超导界面的量子输运现象和器件调控机制迅速成为研究的前沿和热点. 其中的关键问题在于理解纳米尺度下低维体系与超导界面的特征散射机制和量子输运过程, 研究电荷态与拓扑局域态的耦合机制, 实现对拓扑态本征输运特性的探测, 在此基础上为研制新型超导纳电子器件和拓扑量子器件探索新原理和新方法. 由于多种能量尺度和束缚态的竞争, 介观尺度下的超导复合结构在器件物理、结构设计以及测量方案上都存在前所未有的挑战. 本文回顾了基于一维电子体系的超导复合器件的近期进展, 聚焦在以半导体纳米线和碳纳米管为代表的实验体系, 简要介绍了从材料和器件物理, 到输运测量的主要现象和实验挑战. 最后本文对一维体系拓扑量子器件的研制和输运研究进行了总结和展望.
2023, 72 (17): 177401.
doi: 10.7498/aps.72.20230951
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理论预言拓扑超导体能够承载服从非阿贝尔统计的伊辛任意子—马约拉纳零能模, 因而可用于实现容错的拓扑量子计算, 是凝聚态领域最受关注的前沿课题之一. 本文重点回顾了电学输运手段在研究马约拉纳零能模中的应用. 在简要介绍拓扑超导、马约拉纳零能模和非阿贝尔统计等基本概念的基础上, 对当前实现拓扑超导的多种方案进行了总结. 重点介绍了利用低温输运手段探测马约拉纳零能模的实验方法, 涵盖了超导/纳米线中广泛使用的电子隧穿谱、库仑阻塞谱和非局域电导探测, 以及约瑟夫森器件中使用的(逆)交流约瑟夫森效应探测和电流(能量)相位关系的探测. 同时, 对利用上述测量手段得到的实验结果可能存在的平庸解释进行了必要的补充和说明. 最后对马约拉纳零能模的输运探测进行了总结与展望.
2023, 72 (17): 177302.
doi: 10.7498/aps.72.20230698
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三维拓扑绝缘体因其独特的物性备受研究人员关注, 而拓扑表面态的输运是探索其新奇物性的重要手段. 其中, 拓扑表面态的量子霍尔效应则是拓扑绝缘体输运研究的一个重要内容. 本文简要回顾了拓扑绝缘体中量子霍尔效应的实现与发展. 比较了拓扑表面态量子霍尔效应与其他体系的差别, 讨论了其材料体系的发展, 并介绍了其中的标度律行为. 之后详细回顾了实验上对拓扑表面态量子霍尔效应磁性近邻与栅压调控等方面的研究. 最后, 展望了拓扑绝缘体中量子霍尔态的研究前景, 希望能促进拓扑绝缘体的应用.
2023, 72 (17): 177202.
doi: 10.7498/aps.72.20230811
摘要 +
拓扑节线半金属指的是电子的导带和价带在倒空间相交于一维的环或者线, 其体能带拓扑体现在节线携带π的贝里相位. 根据体边对应原理, 在系统边界存在色散较弱的表面态, 由节线在表面布里渊区的投影所包围, 称为鼓面态. 大部分节线半金属中, 自旋-轨道耦合效应较弱, 因此在单粒子图像下表面态不存在自旋构型. 与此同时, 鼓面态特有的弱散射也使得其中的电子间相互作用效应变得显著, 并诱发铁磁失稳使得自旋简并的表面态发生自旋劈裂. 本文考虑自旋简并的节线半金属中铁磁表面态导致的自旋相关散射, 发现自旋劈裂的两个鼓面态均会导致共振的自旋翻转反射, 该物理过程体现为自旋电导谱中的双峰结构. 具体地, 分别用散射矩阵和格林函数理论处理了普通金属和节线半金属异质结中表面态导致的散射问题, 得到一致的结论. 本文的工作指出了自旋简并节线半金属表面态依旧可以导致自旋相关输运, 这为其输运探测和在自旋电子中的应用提供了新的思路.
2023, 72 (17): 177103.
doi: 10.7498/aps.72.20230995
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近年来, 磁性拓扑材料特别是磁性Weyl半金属越来越多地被发现, 为研究拓扑输运行为提供了重要载体. 磁性拓扑半金属材料具有动量空间的强贝利曲率, 显著增强了电子的常规横向输运行为, 也使得曾经被忽略或无法观测的输运效应逐渐浮现出来, 导致当前广泛采用的经典输运方程不能准确地描述磁性拓扑电子的输运行为. 本文从半经典输运方程出发, 介绍磁性拓扑材料中新近出现的非常规电输运行为, 内容涉及化学掺杂、磁场调制拓扑电子态、贝利曲率相关的线性正磁电阻及磁场线性依赖的输运行为. 这些行为为磁性与拓扑相互作用下的电输运行为提供新的理解和思考. 最后, 对非常规电输运的发展进行总结和展望.
2023, 72 (17): 177101.
doi: 10.7498/aps.72.20230634
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电子空穴在库仑相互作用下会发生从半金属态到激子基态的相变, 在费米面附近自发打开能隙, 该基态被称为激子绝缘体. 该物态在凝聚态物理领域吸引了广泛的关注, 相关的实验证据一直在寻找中. 近年来, 在浅反转InAs/GaSb量子阱中, 激子绝缘体的光学能谱和输运特征首先被观察到, 证实了激子绝缘体在二维体系中的存在. 令人意外的是, 在这一激子绝缘态中, 电学输运测量探测到了对磁场和温度不敏感的一维类螺旋拓扑边缘态. 这一观察到的激子基态很难用现有的单粒子理论进行解释, 被称为拓扑激子绝缘体. 本文系统回顾了在该量子阱中针对拓扑激子绝缘体的实验研究, 包括电学输运、太赫兹透射谱、电容测量等. 这些实验结果综合表征了拓扑激子绝缘体的体态与边缘态性质. 拓扑激子绝缘体作为一个由玻色子构成的基态, 在极限条件下有望相变为具有宏观相干性的玻色爱因斯坦凝聚态, 为研究低维电子相互作用提供新的平台.
2023, 72 (17): 177303.
doi: 10.7498/aps.72.20230672
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狄拉克量子材料具有独特的电子结构, 可以用无质量和有质量的狄拉克方程描述. 从奇异的量子流体到晶体材料的多种系统均已发现了狄拉克量子材料. 由于其拓扑非平庸的能带结构, 狄拉克量子材料表现出丰富有趣的输运现象, 包括纵向负磁阻、量子干涉效应和螺旋磁效应等. 本文介绍狄拉克量子材料输运理论最新进展, 总结了基于狄拉克方程的相关量子输运理论和量子反常效应, 重点关注有质量的狄拉克费米子和量子反常半金属, 介绍了半磁拓扑绝缘体中宇称反常和半整数量子霍尔效应的实现.
2023, 72 (17): 177301.
doi: 10.7498/aps.72.20230690
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磁性拓扑绝缘体是过去十年里凝聚态物理学领域的一个重要研究方向, 其拓扑非平庸能带结构与自旋、轨道、电荷、维度等自由度之间的相互作用可以产生丰富的拓扑量子物态和拓扑相变现象. 对磁性拓扑绝缘体输运性质的研究是探索其新奇物性的重要手段, 对于深入理解拓扑量子物态以及开发新型低功耗电子学器件具有重要意义. 本文回顾了近年来磁性拓扑绝缘体输运实验方面的重要研究进展, 包括磁性掺杂拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应和拓扑量子相变现象、本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4中的量子反常霍尔相、轴子绝缘体相和陈绝缘体相, 以及在脉冲强磁场下陈绝缘体演化出的螺旋式拓扑物态. 最后, 本文对未来磁性拓扑绝缘体研究的方向和该体系中尚未充分理解的输运现象进行了分析和展望.
2023, 72 (8): 087401.
doi: 10.7498/aps.72.20230397
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拓扑半金属是一类受对称性保护的无能隙量子材料. 因其相对论性能带色散关系, 拓扑半金属中涌现出丰富的量子态和量子效应, 例如费米弧表面态和手征反常. 近年来, 因在拓扑量子计算的潜在应用, 拓扑与超导的耦合体系受到广泛关注. 本文从两方面回顾拓扑半金属-超导体异质结体系近年来的实验进展: 1)超导电流对拓扑量子态的模式过滤; 2)拓扑超导和Majorana零能模的探测与调控. 对于前者, 利用约瑟夫森电流对电磁场的响应, 拓扑半金属中费米弧表面态的弹道输运被揭示, 高阶拓扑半金属相被证实, 有限动量配对及超导二极管效应被实现. 对于后者, 通过交流约瑟夫森效应, 狄拉克半金属中4π周期的拓扑超导态被发现, 纯电学栅压调控的拓扑相变被实现. 本文最后展望了拓扑半金属-超导体异质结体系的发展前景和在Majorana零能模编织和拓扑量子计算上的潜在应用.
