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量子材料科学中心杜瑞瑞课题组持续在量子自旋霍尔和拓扑激子物态研究中取得进展

《物理评论快报》发表杜瑞瑞课题组有关大能隙量子自旋霍尔态的研究工作

近期,北京大学量子材料中心杜瑞瑞教授领导的课题组研究发现在应变的(strained)InAs/GaInSb量子阱中,存在有受时间反演对称性保护的量子自旋霍尔态,并且相比于之前InAs/GaSb量子阱中的量子自旋霍尔态,其体态能隙最大可增加5倍,达到250 K。

量子自旋霍尔态是拓扑量子物态的一种,具有绝缘的二维体态和导电的一维螺旋(helical)边缘态。量子自旋霍尔态也被认为是很有可能实现拓扑量子计算的物理平台之一。迄今为止,被广泛认可的存在量子自旋霍尔态的材料主要包括HgTe量子阱和InAs/GaSb量子阱,其中最为重要的实验证据之一是在介观尺寸样品中测量得到了与理论预期相符的量子化边缘态电导。相对于HgTe量子阱,InAs/GaSb量子阱有着诸多优点,比如材料稳定性较好,且其量子自旋霍尔态的性质可被栅极连续地调控。另一方面,出人意料的是,InAs/GaSb量子阱中的量子自旋霍尔态在外加磁场的情况下仍然可以保持[Phys. Rev. Lett. 114, 096802(2015)],这与单粒子理论预期的受时间反演对称性保护的量子自旋霍尔态是相矛盾的,但被认为可能与其体态及边缘态中的多体相互作用效应密切相关[Phys. Rev. Lett. 115, 136804 (2015)]。在实验上找到一种可以被单粒子图像描述的、简单清晰的量子自旋霍尔态材料,对于全面深入地了解量子自旋霍尔态的物理性质具有重要意义。

该工作正是在这一方向上迈出了重要的一步,这主要得益于在InAs/GaInSb量子阱中实现了较大的体态能隙,同时保持了InAs/GaSb量子阱高度可控的优点。具体而言,在应变的InAs/GaInSb量子阱中,量子阱中的应力使其能带发生改变,从而使得体态杂化能隙得以增大,这直接导致了边缘态电子费米速度的增加,因而螺旋边缘态中的相互作用效应变弱。实验上测量得到的边缘态电导以及其对外加磁场的响应清楚地表明该系统中的量子自旋霍尔态是一种Z2拓扑绝缘体,其性质受到时间反演对称性的保护。而且,InAs/GaInSb量子阱中螺旋边缘态的相干长度最长可达10微米以上,远大于之前所有有关量子自旋霍尔态研究工作中报道的数值。另外,螺旋边缘态的相干长度还可以被栅极调节,这显示了边缘态电导与边缘态电子费米速度,也即边缘态相互作用强度密切相关。这些发现不仅为未来实现量子自旋霍尔绝缘体电子器件和线路打下了基础,同时也为探测和操纵马约拉纳(Majorana)费米子提供了一个较为理想的平台。

相关文章在《物理评论快报》上发表[Phys. Rev. Lett.119, 056803 (2017)]。上述研究得到国家重点基础科学研究计划(973计划)、国家自然科学基金等项目经费的资助。

 

 

图1 通过变温测量拟合得到的InAs/GaSb及InAs/GaInSb量子阱中量子自旋霍尔态的体态能隙Δ。可见随着量子阱中的应力增加(即GaInSbIn组分的增加),Δ值逐渐增大。

 

图2  (a) 对一个100 μm × 50 μm Hall bar器件测量得到的一组Rxx-Vfront曲线。该器件的边缘态相干长度λφ最大达11 μm. 插图显示了其边缘态相干长度λφ 以及能带交叉点浓度ncross随着背栅栅压Vback的变化,可见随着系统的能带被栅极调至反转程度更浅的情况,即ncross更小的情况,λφ变得更长。(b) 对一个3 μm × 1.5 μm Hall bar器件测量得到的不同磁场下的Rxx-Vfront曲线,可见零磁场下的量子化电导平台在外加磁场情况下被破坏(电阻增加)。这是由于外加磁场破坏了时间反演对称性从而导致边缘态电子经历背散射过程。

 

《Nature Communications》发表杜瑞瑞课题组有关拓扑激子绝缘体相方面的研究进展

激子绝缘相首先由诺贝尔奖获得者Mott教授在上世纪60年代提出。Mott提出考虑库仑屏蔽效应,在半金属体系中电子-空穴配对而形成激子,可能会导致体系失稳,从而在半金属费米面处打开能隙,形成激子绝缘体状态。迄今为止,实验上观测激子绝缘体相是一个尚未完全解决的重要科学问题。在利用光激发的非平衡系统中,激子绝缘体相的存在以及激子玻色-爱因斯坦凝聚的证据还不是很充分,主要原因是由于激子的寿命较短,带来观测上的困难。

InAs/GaSb半导体量子阱系统是十分重要的红外探测器体系,由于其独特的能带结构,本征情况下也会自发形成空间分离的二维电子气和空穴气。由于其电子、空穴的空间分离,激子寿命变长,为研究平衡态激子绝缘体和激子玻色-爱因斯坦凝聚提供了一个优异的实验平台。

美国Rice大学/北京大学杜瑞瑞实验组, Rice 大学Kono 实验组,和中科院半导体所常凯理论组从实验和理论两方面研究了InAs/GaSb量子阱中的激子绝缘相。常凯研究员和娄文凯副研究员构造了平行磁场下激子的量子多体理论模型,研究了激子绝缘相的基态,并提出利用太赫兹透射谱来验证激子绝缘体的存在。他们指出太赫兹透射谱表现为两个吸收峰,并且吸收峰位与带隙方程预言一致,为激子绝缘相光学观测提供了理论依据。

 

图3:(a) InAs/GaSb量子阱能谱图; (b) 实验装置示意图; (c) 激子绝缘体色散关系;(d) 激子绝缘体联合态密度;(e) THz吸收谱;(f)-(h) THz吸收谱; 固定磁场不同温度 (f), 固定温度不同磁场 (f, g); (i) 带隙与温度关系; (j) 测量纵向电导与门电压之间关系; (k) 不同平行磁场强度下InAs/GaSb能谱结构

Rice大学的实验组在电子运输和光学光谱两方面的实验证据表明:在稀释电子-空穴对密度的InAs / GaSb量子阱器件中,在临界温度10K以下出现类似BCS超导体中的能隙。输运和光学性质的测量结果一致证明体系进入了激子绝缘相,文章发表于Nature Communications 8, 1971 (2017)。文章发表后,被最新一期的Science杂志中Physics栏目重点推荐(2).

参考文献:

1. 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)

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-01988-1

2. J. Stajic, Probing an excitonic insulator, Science 358, 1552 (2017)

文章链接:http://science.sciencemag.org/content/358/6370/1552.7