几种拓扑材料的物性及其界面超导电性研究
发布时间：2021-02-27 05:20
上世纪八十年代量子霍尔效应的发现掀起了凝聚态物理研究的新热潮。寻找和研究新的量子态成为了凝聚态物理研究的重要方向。随着对整数以及分数量子霍尔效应的不断研究,研究者们最终通过引入数学上拓扑的概念对这个新的量子态进行了解释。随后,人们试图寻找在零场下具有量子霍尔效应特性的量子态。紧接着,通过理论计算、新材料制备以及各种测试手段证实存在这种类似于量子霍尔效应的新量子态,即拓扑绝缘体态。对拓扑绝缘体的研究使得人们认识到除了已有的物态分类标准之外,拓扑是一个可以对量子态分类的新标准。运用拓扑不变量可以将材料分为拓扑平庸和非平庸的材料（拓扑材料）。到目前为止,拓扑材料包括:拓扑绝缘体、拓扑半金属以及拓扑超导体。这些拓扑材料因其拓扑保护的非平庸的能带结构通常具有一些奇异的物理特性。例如,手性反常导致的负磁阻效应、低温强磁场下的电阻率上翘行为、极大磁电阻行为、拓扑非平庸的Berry相位、高的载流子迁移率、非常规的超导配对等。对这些材料的深入研究将有助于新型电子器件的发展,特别是有助于自旋电子器件和量子计算器件的研究和开发。在本论文中,我们分别系统的研究了ZrTe低温下的电学性质和磁学性质、各种金属薄膜...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
所示为理论计算的石墨烯中量子自旋霍尔绝缘体的边缘态以及其Figure1.2Theedgestateandbandstructureofthegraphene.(a)TheinterfacebetweenanordinaryinsulatorandaquantumspinHallinsulator.(b)Thebandstructureofthegraphene,upanddownspinsoftheedgestatemoveinoppositedirections[6]
第1章绪论7表面没有能隙的电子能带结构。该实验结果说明块体绝缘体的表面态是导电的并且证实了理论结果。这是从实验上首次证实三维拓扑绝缘体的存在。在2009年，普林斯顿的Hasan[22]研究组采用角分辨光电子能谱在Bi2Se3单晶样品中观察到了近乎理想的表面狄拉克锥。在这个实验上的观测结果是与理论计算的结果完全吻合的。证实了这个拓扑非平庸的量子态的存在。由于Bi2Se3样品中大的能隙以及简单的表面能带结构使得角分辨光电子能谱实验能够观察到清楚的表面态，同时也为研究其他奇异量子现象提供了可能。1.3拓扑半金属经过数年对拓扑绝缘体的大量研究，人们得知拓扑不变量是定义在封闭曲面上的，例如晶格动量空间。由于金属的能带结构组成中有未被完全填充的部分，因而不能在整个晶格动量空间形成闭合的曲面。但是根据能带的填充规则可知费米面总是闭合的。因此，可以类似的定义拓扑不变量来标识金属态。拓扑半金属图1.5Bi2Se3表面电子态能带色散。（a）和（b）分别为Bi2Se3中沿Γ-Μ和Γ-K方向表面电子态能带的色散[22]。Figure1.5ThesurfaceelectronicbanddispersionofBi2Se3.ElectronbanddispersionneartheΓpointalongtheΓ-Μ(a)andΓ-K(b)obtainedwithhigh-resolutionARPESmeasurements[22].
第1章绪论9理论计算预言Dirac半金属态可以在具有简单化学计量比的六角相二元化合物A3Bi(A=Na,K,Rb)[26]中实现。图1.7（a）和（b）分别为第一性原理计算的Na3Bi的能带结构。随后，他们又预言Cd3As2[27]也具有Dirac半金属态。图1.7（c）和（d）分别为第一性原理计算的Cd3As2的能带结构。在2014年，陈宇林[28]等人通过角分辨光电子能谱在Na3Bi上观察到了具有线性色散关系的Dirac费米子。在2015年，Hasan[29]等人同样采用角分辨光电子能谱在Na3Bi的表面上观察到了自旋极化的费米弧表面态。图1.7Na3Bi和Cd3As2的能带结构。（a）和（b）为在不考虑和考虑自旋轨道耦合情况下Na3Bi的能带结构[26]。（c）和（d）为两种不同空间群的Cd3As2的能带结构[27]。Figure1.7ThebandstructuresofNa3BiandCd3As2.ThebandstructuresofNa3Biwithout(a)andwith(b)spin–orbitcoupling,respectively[26].(c)and(d)ThebandstructuresofCd3As2withspacegroupofP42/nmcandI41cd[27].
本文编号：3053753
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
所示为理论计算的石墨烯中量子自旋霍尔绝缘体的边缘态以及其Figure1.2Theedgestateandbandstructureofthegraphene.(a)TheinterfacebetweenanordinaryinsulatorandaquantumspinHallinsulator.(b)Thebandstructureofthegraphene,upanddownspinsoftheedgestatemoveinoppositedirections[6]
第1章绪论7表面没有能隙的电子能带结构。该实验结果说明块体绝缘体的表面态是导电的并且证实了理论结果。这是从实验上首次证实三维拓扑绝缘体的存在。在2009年，普林斯顿的Hasan[22]研究组采用角分辨光电子能谱在Bi2Se3单晶样品中观察到了近乎理想的表面狄拉克锥。在这个实验上的观测结果是与理论计算的结果完全吻合的。证实了这个拓扑非平庸的量子态的存在。由于Bi2Se3样品中大的能隙以及简单的表面能带结构使得角分辨光电子能谱实验能够观察到清楚的表面态，同时也为研究其他奇异量子现象提供了可能。1.3拓扑半金属经过数年对拓扑绝缘体的大量研究，人们得知拓扑不变量是定义在封闭曲面上的，例如晶格动量空间。由于金属的能带结构组成中有未被完全填充的部分，因而不能在整个晶格动量空间形成闭合的曲面。但是根据能带的填充规则可知费米面总是闭合的。因此，可以类似的定义拓扑不变量来标识金属态。拓扑半金属图1.5Bi2Se3表面电子态能带色散。（a）和（b）分别为Bi2Se3中沿Γ-Μ和Γ-K方向表面电子态能带的色散[22]。Figure1.5ThesurfaceelectronicbanddispersionofBi2Se3.ElectronbanddispersionneartheΓpointalongtheΓ-Μ(a)andΓ-K(b)obtainedwithhigh-resolutionARPESmeasurements[22].
第1章绪论9理论计算预言Dirac半金属态可以在具有简单化学计量比的六角相二元化合物A3Bi(A=Na,K,Rb)[26]中实现。图1.7（a）和（b）分别为第一性原理计算的Na3Bi的能带结构。随后，他们又预言Cd3As2[27]也具有Dirac半金属态。图1.7（c）和（d）分别为第一性原理计算的Cd3As2的能带结构。在2014年，陈宇林[28]等人通过角分辨光电子能谱在Na3Bi上观察到了具有线性色散关系的Dirac费米子。在2015年，Hasan[29]等人同样采用角分辨光电子能谱在Na3Bi的表面上观察到了自旋极化的费米弧表面态。图1.7Na3Bi和Cd3As2的能带结构。（a）和（b）为在不考虑和考虑自旋轨道耦合情况下Na3Bi的能带结构[26]。（c）和（d）为两种不同空间群的Cd3As2的能带结构[27]。Figure1.7ThebandstructuresofNa3BiandCd3As2.ThebandstructuresofNa3Biwithout(a)andwith(b)spin–orbitcoupling,respectively[26].(c)and(d)ThebandstructuresofCd3As2withspacegroupofP42/nmcandI41cd[27].
本文编号：3053753
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