《納米快報》報道王健等人在拓撲絕緣體超晶格量子輸運和調控方面的重要進展

拓撲絕緣體體内是有能隙的絕緣體，而表面是無能隙的自旋軌道耦合的金屬态。作為一種新的量子材料，拓撲絕緣體已成為當前凝聚态物理最重要的研究領域之一。超晶格是指在納米尺度可人工調制周期的晶體結構。最新的理論研究表明，拓撲絕緣體的特殊表面态是Weyl電子的二維體現，而拓撲絕緣體/普通絕緣體形成的超晶格可以構成理論預言的三維Weyl半金屬，從而觀測到真正的三維表面态。更為重要的是，拓撲絕緣體超晶格結構，有望實現對拓撲材料物性的人工調制。因此拓撲絕緣體超晶格的研究對于發現新的量子現象以及探索新的量子材料都具有重要科學意義。然而，拓撲絕緣體/普通絕緣體超晶格的電輸運實驗研究及可調控特性一直未見報道。

最近，量子物質科學協同創新中心成員/beat365官方网站量子材料科學中心王健研究員，與中心謝心澄教授、香港大學謝茂海教授、浙江大學王勇教授等人合作，首次對于拓撲絕緣體/普通絕緣體（Bi2Se3/In2Se3）超晶格的量子輸運特性展開系統研究。在低溫強磁場下對不同拓撲絕緣體層厚的Bi2Se3/In2Se3超晶格的電輸運測量發現：改變其中拓撲絕緣體層Bi2Se3的厚度會導緻體系的量子輸運維度從三維轉變為二維。該結果證實了人工調控拓撲材料物性的可行性，是拓撲絕緣體超晶格量子輸運特性的首次報道。這一工作不僅為新量子态的探索，也為研發人工調制的拓撲材料及其在磁電、熱電和自旋電子學等方面的潛在應用奠定了基礎。相關工作以“Crossover from 3D to 2D Quantum Transport in Bi2Se3/In2Se3 Superlattices”為題，在線發表在《納米快報》(Nano Letters DOI: 10.1021/nl502220p (2014))上，beat365王健研究員、謝心澄教授和香港大學謝茂海教授為該論文共同通訊作者，beat365博士生趙弇斐和博士後劉海文為論文的共同第一作者。

量子材料科學中心王健研究組與合作者近年來在拓撲絕緣體薄膜及其異質結構的電輸運特性領域取得了一系列進展。例如：王健等人在拓撲絕緣體的研究中首次定量引入電子-電子相互作用的量子修正，已成為相關方向的奠基性論文(Physical Review B 83, 245438 (2011))；系統研究了三種超導體與拓撲絕緣體薄膜的相互作用(Physical Review B 85, 045415 (2012))；發現拓撲絕緣體薄膜在平行磁場下的負磁阻行為及其與電流方向的相關性(Nano Research 5, 739 (2012))；在半導體砷化镓襯底上成功制備出p型和n型的拓撲絕緣體薄膜，為拓撲絕緣體的p-n型器件研發奠定了基礎(AIP Advances 3, 072112 (2013))，相關工作得到國際媒體的關注和報道；首次對拓撲絕緣體異質結構進行了電輸運實驗研究，證實了表面在量子輸運中的關鍵性作用(Scientific Reports 3, 3060 (2013))；在平行場下對拓撲絕緣體超薄膜進行了50特斯拉以上的強磁場電輸運測量，觀測到拓撲絕緣體體态引起的弱反局域化到弱局域化的轉變(Scientific Reports 4, 5817 (2014))，等等。

上述研究得到了國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、中組部“青年千人”計劃、高等學校博士學科點專項科研基金以及量子物質科學協同創新中心的支持。