量子材料科學中心杜瑞瑞課題組持續在量子自旋霍爾和拓撲激子物态研究中取得進展
近期，beat365量子材料科學中心杜瑞瑞教授領導的課題組研究發現在應變的（strained）InAs/GaInSb量子阱中，存在有受時間反演對稱性保護的量子自旋霍爾态，并且相比于之前InAs/GaSb量子阱中的量子自旋霍爾态，其體态能隙最大可增加5倍，達到250 K。
量子自旋霍爾态是拓撲量子物态的一種，具有絕緣的二維體态和導電的一維螺旋（helical）邊緣态。量子自旋霍爾态也被認為是很有可能實現拓撲量子計算的物理平台之一。迄今為止，被廣泛認可的存在量子自旋霍爾态的材料主要包括HgTe量子阱和InAs/GaSb量子阱，其中最為重要的實驗證據之一是在介觀尺寸樣品中測量得到了與理論預期相符的量子化邊緣态電導。相對于HgTe量子阱，InAs/GaSb量子阱有着諸多優點，比如材料穩定性較好，且其量子自旋霍爾态的性質可被栅極連續地調控。另一方面，出人意料的是，InAs/GaSb量子阱中的量子自旋霍爾态在外加磁場的情況下仍然可以保持[Phys. Rev. Lett. 114, 096802（2015）]，這與單粒子理論預期的受時間反演對稱性保護的量子自旋霍爾态是相矛盾的，但被認為可能與其體态及邊緣态中的多體相互作用效應密切相關[Phys. Rev. Lett. 115, 136804 (2015)]。在實驗上找到一種可以被單粒子圖像描述的、簡單清晰的量子自旋霍爾态材料，對于全面深入地了解量子自旋霍爾态的物理性質具有重要意義。
該工作正是在這一方向上邁出了重要的一步，這主要得益于在InAs/GaInSb量子阱中實現了較大的體态能隙，同時保持了InAs/GaSb量子阱高度可控的優點。具體而言，在應變的InAs/GaInSb量子阱中，量子阱中的應力使其能帶發生改變，從而使得體态雜化能隙得以增大，這直接導緻了邊緣态電子費米速度的增加，因而螺旋邊緣态中的相互作用效應變弱。實驗上測量得到的邊緣态電導以及其對外加磁場的響應清楚地表明該系統中的量子自旋霍爾态是一種Z2拓撲絕緣體，其性質受到時間反演對稱性的保護。而且，InAs/GaInSb量子阱中螺旋邊緣态的相幹長度最長可達10微米以上，遠大于之前所有有關量子自旋霍爾态研究工作中報道的數值。另外，螺旋邊緣态的相幹長度還可以被栅極調節，這顯示了邊緣态電導與邊緣态電子費米速度，也即邊緣态相互作用強度密切相關。這些發現不僅為未來實現量子自旋霍爾絕緣體電子器件和線路打下了基礎，同時也為探測和操縱馬約拉納（Majorana）費米子提供了一個較為理想的平台。
相關文章在《物理評論快報》上發表[Phys. Rev. Lett. 119, 056803 (2017)]。上述研究得到國家重點基礎科學研究計劃（973計劃）、國家自然科學基金等項目經費的資助。
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圖1 通過變溫測量拟合得到的InAs/GaSb及InAs/GaInSb量子阱中量子自旋霍爾态的體态能隙Δ。可見随着量子阱中的應力增加（即GaInSb中In組分的增加），Δ值逐漸增大。
| 圖2 (a) 對一個100 μm × 50 μm Hall bar器件測量得到的一組Rxx-Vfront曲線。該器件的邊緣态相幹長度λφ最大達11 μm. 插圖顯示了其邊緣态相幹長度λφ 以及能帶交叉點濃度ncross随着背栅栅壓Vback的變化，可見随着系統的能帶被栅極調至反轉程度更淺的情況，即ncross更小的情況，λφ變得更長。(b) 對一個3 μm × 1.5 μm Hall bar器件測量得到的不同磁場下的Rxx-Vfront曲線，可見零磁場下的量子化電導平台在外加磁場情況下被破壞（電阻增加）。這是由于外加磁場破壞了時間反演對稱性從而導緻邊緣态電子經曆背散射過程。
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《Nature Communications》發表杜瑞瑞課題組有關拓撲激子絕緣體相方面的研究進展
激子絕緣相首先由諾貝爾獎獲得者Mott教授在上世紀60年代提出。Mott提出考慮庫侖屏蔽效應，在半金屬體系中電子-空穴配對而形成激子，可能會導緻體系失穩，從而在半金屬費米面處打開能隙，形成激子絕緣體狀态。迄今為止，實驗上觀測激子絕緣體相是一個尚未完全解決的重要科學問題。在利用光激發的非平衡系統中，激子絕緣體相的存在以及激子玻色-愛因斯坦凝聚的證據還不是很充分，主要原因是由于激子的壽命較短，帶來觀測上的困難。
InAs/GaSb半導體量子阱系統是十分重要的紅外探測器體系，由于其獨特的能帶結構，本征情況下也會自發形成空間分離的二維電子氣和空穴氣。由于其電子、空穴的空間分離，激子壽命變長，為研究平衡态激子絕緣體和激子玻色-愛因斯坦凝聚提供了一個優異的實驗平台。
美國Rice大學/beat365杜瑞瑞實驗組, Rice 大學Kono 實驗組，和中科院半導體所常凱理論組從實驗和理論兩方面研究了InAs/GaSb量子阱中的激子絕緣相。常凱研究員和婁文凱副研究員構造了平行磁場下激子的量子多體理論模型，研究了激子絕緣相的基态，并提出利用太赫茲透射譜來驗證激子絕緣體的存在。他們指出太赫茲透射譜表現為兩個吸收峰，并且吸收峰位與帶隙方程預言一緻，為激子絕緣相光學觀測提供了理論依據。
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圖3：(a) InAs/GaSb量子阱能譜圖; (b) 實驗裝置示意圖； (c) 激子絕緣體色散關系； (d) 激子絕緣體聯合态密度； (e) THz吸收譜； (f)-(h) THz吸收譜； 固定磁場不同溫度 (f)， 固定溫度不同磁場 (f, g); (i) 帶隙與溫度關系 ; (j) 測量縱向電導與門電壓之間關系； (k) 不同平行磁場強度下InAs/GaSb能譜結構。
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Rice大學的實驗組在電子運輸和光學光譜兩方面的實驗證據表明：在稀釋電子-空穴對密度的InAs / GaSb量子阱器件中，在臨界溫度10K以下出現類似BCS超導體中的能隙。輸運和光學性質的測量結果一緻證明體系進入了激子絕緣相，文章發表于Nature Communications 8, 1971 (2017)。文章發表後，被最新一期的Science雜志中Physics欄目重點推薦（2）.
參考文獻：
L.-J. Du, X.-W. Li, W.-K. Lou, G. Sullivan, Kai Chang*, J. Kono*, and Rui-Rui Du*, Evidence for a topological excitonic insulator in InAs/GaSb bilayers, Nature Communications 8, 1971 (2017)
文章鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-01988-1
J. Stajic, Probing an excitonic insulator, Science 358, 1552 (2017)
文章鍊接：http://science.sciencemag.org/content/358/6370/1552.7
