三维拓扑绝缘体


为设计和发现三维拓扑绝缘体做出了突出贡献的科研人员

 

得奖人:

方  忠 - 中国科学院物理研究所

马旭村 - 中国科学院物理研究所

陈    曦 - 清华大学物理系

张海军 - 中国科学院物理研究所

贾金锋 - 清华大学物理系/上海交通大学物理系

薛其坤 - 清华大学物理系

戴    希 - 中国科学院物理研究所

周光召教授介绍2011年度求是奖获奖人工作


        今年求是基金会决定将求是杰出科学家奖授予张首晟教授,将求是杰出科学家集体奖授予方忠、张海军、戴希及薛其坤、陈曦、贾金锋和马旭村。奖励他们在发展拓扑绝缘体理论和发现三维拓扑绝缘体作出的重大贡献。

        近年来,凝聚态物理学的一个重大突破就是拓扑绝缘体的发现。拓扑绝缘体是一种新的宏观有序的量子物态,其电子能带结构带有特殊的拓扑性质,在三维拓扑绝缘体的边缘态会形成导电层,具有奇异的性质,导电粒子的有效质量为0,其运动规律类似过去只在高能物理中出现,由相对论所描述的Dirac粒子。Dirac粒子的出现受到拓扑对称性的保护。

        2006年张首晟领导的Stanford小组通过理论分析预言了在HgTe/CdTe量子阱结构中,通过调节HgTe的厚度有可能实现能隙在10毫电子伏特量级的二维拓扑绝缘体。紧接着德国伍尔兹堡大学小组从实验上证实了Stanford小组的预言。

       与二维拓扑绝缘体相比,三维拓扑绝缘体更是一个重要的研究领域。2006年,几个国外理论小组几乎同时在理论上提出了三维拓扑绝缘体,但预言的合金不仅有很多无序相,而且电子结构上能隙较小,不适合在电子器件上的应用,特别是不能在室温下应用。

         2009年中科院物理所的方忠、张海军、戴希等人组成的团队和Stanford大学张首晟小组合作,从理论上预言了Bi2Se3、Sb2Te3和Bi2Te3三种能隙在百毫电子伏量级,有可能实现室温低能耗的自旋电子器件的三维拓扑绝缘体并很快在实验上得到非常纯净的高品质样品。紧接着清华大学物理系薛其坤、陈曦和贾金锋等组成的研究团队,与中国科学院研究员马旭村领导的研究组合作,制备出了原子级平整的高质量三维拓扑绝缘体(Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3)薄膜。在拓扑绝缘体材料制备方面取得重要进展。这一系列与拓扑绝缘体相关的实验和理论工作引发了国际凝聚态物理学界对三维拓扑绝缘体的研究热潮。

        拓扑绝缘体的这些奇特性质, 体现拓扑学新的应用领域、体现高能物理和凝聚态物理所遵循的统一的自然规律,具有重要的科学价值。同时,拓扑绝缘体表面态的奇异性质和不受局部干扰的稳定性使得它有希望成为下一代微电子器件的材料。

        拓扑绝缘体首先由熟悉理论高能物理又转而研究凝聚态物理的科学家预言,并和实验物理学家携手组成团队发现。深刻说明在科学研究的原始创新中,理论预见和指导、理论与实验紧密结合的重要作用。我国原始性创新缺乏有很多原因,理论水平不高,知识面狭窄,理论工作和实验工作之间缺少学术交流以至于理论工作趋于空泛,实验工作趋于盲目。这些都值得我们深思和关注。

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