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              5. 甚么是拓扑绝缘体?

                作者:佚名 来源:光行世界整顿 时光:2018-12-07 08:45 浏览:566 [投稿]
                拓扑绝缘体是一种内部绝缘,界面许可电荷移动的材料。

                拓扑绝缘体的概念

                拓扑绝缘体是一种内部绝缘,界面许可电荷移动的材料。在拓扑绝缘体的内部,电子能带构造和惯例的绝缘体类似,其费米能级位于导带和价带之间。在拓扑绝缘体的外面存在一些特别的量子态,这些量子态位于块体能带构造的带隙当中,从而许可导电。这些量子态可以用类似拓扑学中的亏格的整数表征,是拓扑序的一个特例。

                按照导电性质的不合,材料可分为“导体”和“绝缘体”两大年夜类;而更进一步,根据电子态的拓扑性质的不合,“绝缘体”和“导体”还可以进行更过细的划分。拓扑绝缘体就是根据如许的新标准而划分的差别于其他通俗绝缘体的一类绝缘体。因此,拓扑绝缘体的体内与人们平日熟悉的绝缘体一样,是绝缘的,然则在它的界线或外面总是存在导电的边沿态,这是它有别于通俗绝缘体的最独特的性质。如许的导电边沿态在包管必定对称性(比如时光反演对称性)的条件下是稳定存在的,并且不合自旋的导电电子的活动偏向是相反的,所以信息的传递可以经过过程电子的自旋,而不像传统材料经过过程电荷来传递。

                拓扑绝缘体的特点

                拓扑绝缘体是一种具有新颖量子特点的物质状况,物理学的重要科学前沿之一。根据能带理论,传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体、导体和半金属,个中绝缘体材料在其费米能处存在着有限大年夜小的能隙,因此没有自由载流子;金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度,进而具有自由载流子;半导体材料在费米能处没有能隙,然则费米能级处的电子态密度依然为零。而拓扑绝缘体是一类异常特别的绝缘体,从理论上分析,这类材料的体内的能带构造是典范的绝缘体类型,在费米能处存在着能隙,但是在该类材料的外面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态,因此导致其外面总是金属性的。拓扑绝缘体这一特别的电子构造,是由其能带构造的特别拓扑性质所决定的。

                拓扑绝缘体的研究近况

                第一代, HgTe量子井

                第二代, BiSb 合金

                第三代, Bi2Se3, Sb2Te3, Bi2Te3等化合物

                从理论上说,拓扑绝缘体是由电荷的U(1)对称性和时光反演对称性合营保护的拓扑态。只要U(1)对称性和时光反演对称性同时存在,拓扑绝缘体的边沿态就必定长短平淡的,并且,如许的边沿态绝对不克不及在有一样对称性的低维度体系中实现。在理论上人们已意想到,其他的对称性一样可以保护类似的拓扑绝缘体(或拓扑超导体,取决于对称性中是否是包含电荷的U(1)对称性)。并且,从2009年以来,人们已对没有相互感化的费米子体系的所有拓扑绝缘体或拓扑超导体进行了成功分类。2011年以来,拓扑绝缘体的概念已被拓展成为一个更加宽泛的概念:symmetry protected topological states. 凝集态理论物理学界已对各个维度的玻色子体系中的symmery protected topological states进行了较为完全的分类。然则对所有维度的有强相互感化的费米子体系中symmetry protected topological states的分类还没有最后完成。

                从现象上说,拓扑绝缘体有其他绝缘体所不具有的特别性质。比如,根据理论猜想,三维拓扑绝缘体与超导体的界面上的vortex core中将会构成零能majorana 费米子,这一特点有可能实现拓扑量子计算。

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