Nature子刊: 三维拓扑绝缘体电子退相干新机制

【引言】

按照导电性质的不同材料可分为“金属”和“绝缘体”两大类；根据电子态的拓扑性质的不同，绝缘体又分为拓扑绝缘体和其他普通绝缘体。拓扑绝缘体的体电子态具有能隙，而其边界或表面存在由对称性保护的无能隙的金属态，这是它有别于普通绝缘体的独特之处。三维拓扑绝缘体的导电表面态能够稳定存在，且不同自旋的导电电子的运动方向相反，所以表面态电子可用来实现新型的自旋电子学器件。研究固态系统中的电子退相干机制对探究其基态本质以及利用量子相干进行信息处理非常重要。近年来对三维拓扑绝缘体的研究表明，三维拓扑绝缘体及其衍生结构能够产生反常量子霍尔效应，量子霍尔效应，以及其它许多有趣的量子输运性质，如弱反局域化效应，Aharonov-Bohm效应和Aharonov-Aronov-Spivak效应等，因此引起了科研届的广泛关注。

【成果简介】

近日，中国科学院物理研究所李永庆研究员和清华大学何珂教授 (共同通讯作者) 等人在Nature Communications杂志上发表了一篇题为“Enhanced electron dephasing in three-dimensional topological insulators” 的文章。该文章报道了利用反弱局域化效应测量不同栅极电压和温度下(Bi,Sb)₂Te₃薄膜的电子退相干速率。研究结果显示薄膜体态导电时电子退相干速率随温度线性变化，符合传统二维体系中的Nyquist退相干机制。而当薄膜表面输运占主导时，电子退相干速率与温度之间呈现反常的亚线性相关，即τ_Φ^-1 ∝T^p，p=0.45-0.6。文章提出了解释这种反常电子退相干规律的机制，即拓扑绝缘体表面态电子与体内纳米尺度的电子和空穴液团之间的耦合导致了退相干速率的亚线性温度依赖关系。文章第一作者为中国科学院物理研究所博士生廖剑。

【图文导读】

图1. 拓扑绝缘体化学势和输运性质的双栅调控

(a). 具有顶栅和底栅的霍尔条形器件示意图。

(b, c). 纵向电阻率(b)和霍尔系数(c)随顶栅电压(V_T)和底栅电压(V_B)的变化情况。

(d). 一定顶栅电压下, 霍尔系数（上）纵向电阻率（下）对底栅电压的依赖关系。

(e). 几组顶栅和底栅电压下的霍尔电阻曲线。

(f). 脱耦合表面态输运(A)和体态输运(B)条件所对应的上下表面态能带结构示意图。

图2. (Bi,Sb)₂Te₃薄膜中的可调表面态与体态耦合

(a). 低场磁电导率及其Hikami-Larkin-Nagaoka(HLN)的最优拟合。

(b). 从HLN拟合中提取的因子α和退相干场B_Φ随栅极电压的变化。

(c, d).因子α脱耦合表面态输运α≈1和体态传输α≈1/2条件下因子α随温度的变化。

图3. 退耦合表面态传输下增强电子退相干

(a). 双栅调控下α≈1时退相干场B_Φ的温度依赖特性及幂指数拟合，B_Φ∝T^p ,p=0.55。

(b). 单一栅压调控下三次降温测量得到的退相干场B_Φ随温度的变化及幂指数拟合，拟合得到的p指数与双栅下得到的p指数相同。

(c). 下表面态位相相干时间τ_Φ与温度间函数关系。

图4. 电子退相干速率可调亚线性温度依赖

(a). 体态导电时，退相干场B_Φ (与退相干速率τ_Φ^-1呈正比)的温度依赖特性及线性拟合。

(b). 不同栅极电压下退相干场B_Φ 随温度变化，随着栅极电压增大，三维拓扑绝缘体由体态输运(α≈1/2)变化为表面态输运(α≈1)。

(c). 与(b)相同栅极电压下前因子α和指数p随温度的变化。

(d). 在体态较绝缘的拓扑绝缘体中电势涨落导致的电子和空穴液团。

(e). 电子在电荷液团之间的变程跃迁以及在表面态与这些局域体态之间的散射过程。

【小结】

利用拓扑绝缘体表面态的独特自旋性质，有望实现能耗更低的新型信息器件。此项工作深入研究了三维拓扑绝缘体中的电子的退相干机制，这不仅有助于深入理解量子输运性质，而且对利用波的干涉性质探索新奇准粒子和进一步进行量子信息处理具有重要意义。

文献链接：Enhanced electron dephasing in three-dimensional topological insulators (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms16071)

本文由材料人电子电工学术组任丹丹供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。如果你对电子材料感兴趣，愿意与电子电工领域人才交流，请加入材料人电子电工材料学习小组（QQ群：482842474）。欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料测试，数据分析，上测试谷！

研究团队在拓扑绝缘体量子输运方面的主要工作如下：

(1).  J. Liao et al., Observation of Anderson localization in ultrathin films of three-dimensional topological insulators, Phys. Rev. Lett. 114, 216601 (2015). 

(2). W. M. Yang et al., Proximity effect between a topological insulator and a magnetic insulator with large perpendicular anisotropy, Appl. Phys. Lett. 105, 092411 (2014).

(3). C. J. Lin et al., Parallel field magnetoresistance of topological insulator thin films, Phys. Rev. B 88, 041307 (R) (2013).

(4) J. Chen et al., Tunable surface conductivity in Bi₂Se₃ revealed with diffusive electron transport, Phys. Rev. B 83, 241304(R) (2011) (Editors’ suggestion).

(5). J. Chen et al., Gate voltage control of chemical potential and weak antilocalization in Bi₂Se₃, Phys. Rev. Lett. 105，176602 (2010).