中心成員在拓撲晶體絕緣體薄膜研究中取得突破性進展

三維拓撲晶體絕緣體是完全不同于拓撲絕緣體的一種新型拓撲材料，其拓撲性質受到晶格對稱性而非時間反演對稱性保護。最近由理論預測可以在SnTe類的四六族半導體中實現由鏡面對稱性保護的拓撲晶體絕緣體，并很快得到了美國、日本、瑞典和中國等不同地區的獨立實驗組的驗證，進而成為凝聚态物理領域一個很重要的研究的方向。

在中心成員段文晖教授的指導下，其博士生劉軍偉（文章第一作者），與美國麻省理工學院的傅亮教授（文章通訊作者）研究組以及Jagadeesh Moodera教授研究組等合作，結合能帶結構計算，k•p模型和拓撲能帶分析等研究方法，在拓撲晶體薄膜研究中取得了突破性進展。他們首先将三維拓撲晶體絕緣體的概念推廣到二維，提出了由鏡面對稱性保護的二維絕緣體的新型拓撲相，并證明這種新型的拓撲相可以在SnTe和PbxSn1-xSe(Te)的（001）薄膜實現。這種新型的拓撲材料，其體能帶具有能隙，但是在邊緣上存在由（001）鏡面對稱性保護的具有自旋過濾性質的邊緣态。更為重要的是，通過垂直于薄膜的電場，就可以破壞體系的鏡面對稱性，從而在邊緣态上産生一個電場調控的能隙。利用這種奇異的特性，此研究提出了一種新型晶體管，稱之為拓撲晶體管。在這種晶體管中，電荷輸運和自旋輸運極大地糾纏在一起，并且可以被外加電場同時調控。由于拓撲晶體管的工作原理與傳統晶體管的實現原理完全不同，其開/關狀态并不需要實現n型電子和p型電子的複合，因而可以在拓撲晶體管中實現很高的開關速度，同時具有很小的能耗。

該成果以“Spin-filtered edge states with an electrically tunable gap in a two-dimensional topological crystalline insulator”為題發表在2014年2月的Nature Materials [Nat. Mat. 13, 178–183 (2014)]上。上述研究工作得到了國家自然科學基金和科技部“973”項目的資助。