Nature子刊: 三維拓撲絕緣體電子退相干新機制

【引言】

按照導電性質的不同材料可分為“金屬”和“絕緣體”兩大類；根據電子態的拓撲性質的不同，絕緣體又分為拓撲絕緣體和其他普通絕緣體。拓撲絕緣體的體電子態具有能隙，而其邊界或表面存在由對稱性保護的無能隙的金屬態，這是它有別于普通絕緣體的獨特之處。三維拓撲絕緣體的導電表面態能夠穩定存在，且不同自旋的導電電子的運動方向相反，所以表面態電子可用來實現新型的自旋電子學器件。研究固態系統中的電子退相干機制對探究其基態本質以及利用量子相干進行信息處理非常重要。近年來對三維拓撲絕緣體的研究表明，三維拓撲絕緣體及其衍生結構能夠產生反常量子霍爾效應，量子霍爾效應，以及其它許多有趣的量子輸運性質，如弱反局域化效應，Aharonov-Bohm效應和Aharonov-Aronov-Spivak效應等，因此引起了科研屆的廣泛關注。

【成果簡介】

近日，中國科學院物理研究所李永慶研究員和清華大學何珂教授 (共同通訊作者) 等人在Nature Communications雜志上發表了一篇題為“Enhanced electron dephasing in three-dimensional topological insulators” 的文章。該文章報道了利用反弱局域化效應測量不同柵極電壓和溫度下(Bi,Sb)₂Te₃薄膜的電子退相干速率。研究結果顯示薄膜體態導電時電子退相干速率隨溫度線性變化，符合傳統二維體系中的Nyquist退相干機制。而當薄膜表面輸運占主導時，電子退相干速率與溫度之間呈現反常的亞線性相關，即τ_Φ^-1?∝T^p，p=0.45-0.6。文章提出了解釋這種反常電子退相干規律的機制，即拓撲絕緣體表面態電子與體內納米尺度的電子和空穴液團之間的耦合導致了退相干速率的亞線性溫度依賴關系。文章第一作者為中國科學院物理研究所博士生廖劍。

【圖文導讀】

圖1. 拓撲絕緣體化學勢和輸運性質的雙柵調控

(a). 具有頂柵和底柵的霍爾條形器件示意圖。

(b, c). 縱向電阻率(b)和霍爾系數(c)隨頂柵電壓(V_T)和底柵電壓(V_B)的變化情況。

(d). 一定頂柵電壓下, 霍爾系數（上）縱向電阻率（下）對底柵電壓的依賴關系。

(e). 幾組頂柵和底柵電壓下的霍爾電阻曲線。

(f). 脫耦合表面態輸運(A)和體態輸運(B)條件所對應的上下表面態能帶結構示意圖。

圖2. (Bi,Sb)₂Te₃薄膜中的可調表面態與體態耦合

(a). 低場磁電導率及其Hikami-Larkin-Nagaoka(HLN)的最優擬合。

(b). 從HLN擬合中提取的因子α和退相干場B_Φ隨柵極電壓的變化。

(c, d).因子α脫耦合表面態輸運α≈1和體態傳輸α≈1/2條件下因子α隨溫度的變化。

圖3. 退耦合表面態傳輸下增強電子退相干

(a). 雙柵調控下α≈1時退相干場B_Φ的溫度依賴特性及冪指數擬合，B_Φ∝T^p?,p=0.55。

(b). 單一柵壓調控下三次降溫測量得到的退相干場B_Φ隨溫度的變化及冪指數擬合，擬合得到的p指數與雙柵下得到的p指數相同。

(c). 下表面態位相相干時間τ_Φ與溫度間函數關系。

圖4. 電子退相干速率可調亞線性溫度依賴

(a). 體態導電時，退相干場B_Φ (與退相干速率τ_Φ^-1呈正比)的溫度依賴特性及線性擬合。

(b). 不同柵極電壓下退相干場B_Φ 隨溫度變化，隨著柵極電壓增大，三維拓撲絕緣體由體態輸運(α≈1/2)變化為表面態輸運(α≈1)。

(c). 與(b)相同柵極電壓下前因子α和指數p隨溫度的變化。

(d). 在體態較絕緣的拓撲絕緣體中電勢漲落導致的電子和空穴液團。

(e). 電子在電荷液團之間的變程躍遷以及在表面態與這些局域體態之間的散射過程。

【小結】

利用拓撲絕緣體表面態的獨特自旋性質，有望實現能耗更低的新型信息器件。此項工作深入研究了三維拓撲絕緣體中的電子的退相干機制，這不僅有助于深入理解量子輸運性質，而且對利用波的干涉性質探索新奇準粒子和進一步進行量子信息處理具有重要意義。

文獻鏈接：Enhanced electron dephasing in three-dimensional topological insulators (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms16071)

本文由材料人電子電工學術組任丹丹供稿，材料牛整理編輯。

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研究團隊在拓撲絕緣體量子輸運方面的主要工作如下：

(1). ?J. Liao et al., Observation of Anderson localization in ultrathin films of three-dimensional topological insulators, Phys. Rev. Lett. 114, 216601 (2015).?

(2). W. M. Yang et al., Proximity effect between a topological insulator and a magnetic insulator with large perpendicular anisotropy, Appl. Phys. Lett.?105, 092411 (2014).

(3). C. J. Lin et al., Parallel field magnetoresistance of topological insulator thin films, Phys. Rev. B 88, 041307 (R) (2013).

(4) J. Chen et al., Tunable surface conductivity in Bi₂Se₃ revealed with diffusive electron transport, Phys. Rev. B 83, 241304(R) (2011) (Editors’ suggestion).

(5). J. Chen et al., Gate voltage control of chemical potential and weak antilocalization in Bi₂Se₃, Phys. Rev. Lett. 105，176602 (2010).