強磁場中心拓撲絕緣體量子線研究取得新進展

　　3月28日，國際期刊《自然》子刊《科學報告》(Scientific Reports)發表中科院強磁場科學中心田明亮研究小組的最新科研成果：單晶碲化鉍Bi2Te3納米線中的一維弱反局域化(One-dimensional weak antilocalization in single-crystal Bi2Te3 nanowires)。該課題組寧偉副研究員通過細致研究拓撲絕緣體的磁電阻效應與納米線直徑的變化關系，實現單晶納米線的表面態輸運隨直徑的減小由二維到一維性質的轉變。

　　拓撲絕緣體是完全不同于傳統意義上的常規“絕緣體”，它是近幾年才發現的一個新物質態。它的體電子態是有能隙的絕緣體，而其表面則是無能隙的金屬態。由于表面電子幾乎沒有質量且自旋具有手性，這些奇異性質導致拓撲絕緣體材料在量子信息和量子計算等方面具有極大潛在應用前景。國際上對拓撲絕緣體的研究主要集中在塊材和薄膜體系，田明亮課題組瞄準一維Bi2Te3納米線對拓撲絕緣體的表面態進行了深入研究，并取得了一系列重要進展。如該課題組前期在同一個單晶納米線上即觀察到平行磁場下的Aharonov-Bohm 量子振蕩，也觀察到垂直磁場下的Shubnikov-de Haas (SdH) 量子振蕩。這些結果不僅給出拓撲表面態的雙重證據而且實驗給出了表面態不被表面氧化所破壞的重要信息，這為未來拓撲量子器件研發提供了實驗依據。

　　課題組寧偉副研究員在前期工作基礎上利用低溫轉角的磁輸運測量發現：隨著納米線直徑的減小，其表面電導逐漸增強，量子振蕩更加明顯。而隨著納米線直徑的減小，其低場下表面態電子退相干長度隨溫度的變化滿足~T-1/3的關系，表現出從二維反弱局域化到一維反弱局域化的轉變。該研究成果對深入理解拓撲絕緣體表面態在一維尺度下的演化，以及拓撲絕緣體納米線與超導復合器件中可能存在的Majorana費米子探測具有重要指導意義。

　　該項研究獲得科技部973項目、國家自然科學基金委、中科院“百人計劃”項目的支持。該研究利用了強磁場科學中心多功能物性測試系統(PPMS)、X射線衍射儀(XRD)、SEM/FIB雙束納米加工系統等設備。

　　這一結果對理論預言的表面態螺旋Luttinger的液體行為探索邁出了重要一步，而螺旋Luttinger液體正是人們期待的量子自旋霍爾的邊緣模。

圖1：不同直徑Bi2Te3納米線電阻隨溫度和磁場的變化

圖2(a)(c)(e)不同直徑Bi2Te3納米線磁電導隨磁場角度的變化;(b)(d)(f)不同直徑納米線低場表面電導在不同角度垂直分量的歸一化行為。紅色實線為一維反弱局域化理論模型擬合曲線。