拓扑绝缘体的低温电子输运性质研究

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1、@密级中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文作者姓名：指导教师：学位类别：学科专业：研究所：工珥昌左班宜虽生国叠堂瞳塑堡班宜逝堡堂埴±登塞盔物堡主国整堂瞳塑堡研嚣压2013年5月lUlllll[1lllllltillIllllllIY2381941ByYueDingADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDocto

2、rofScienceInstituteofPhysicsMay,2013摘要拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理领域里提出并发现的一种新型的量子材料。拓扑绝缘体的体态是绝缘的，但是具有与普通绝缘体不同的拓扑序，因此拓扑绝缘体具有受时间反演对称性保护的无能隙的表面态，背散射被完全抑制。这种表面态电子的自旋自由度和轨道自由度完全绑定，即具有手性。许多材料被理论预言是三维强拓扑绝缘体，而这些预言也通过ARPES、STM等手段证实。其中尤以Bi2Se3、Bi2Te3两种材料因其表面态简单、单晶容易合成、质量容易提高、容易解理等优点而极受重视。当拓扑绝缘体与S波超导体接触时

3、，在拓扑绝缘体表面会产生一种类px+ipv超导态，在其磁通芯处可能存在Majorana束缚态。而由于Majorana费米子服从非阿贝尔统计，可能被用于量子计算，因此在拓扑绝缘体与S波超导体界面寻找类px+ip、，超导态成为-；N用拓扑绝缘体实现拓扑量子计算的关键一步。本文主要从两个角度研究了这一问题，找到了一些类P波超导存在的迹象。下面分章节介绍一下论文的主要内容：第一章简要介绍了拓扑绝缘体领域的发展历程以及关于拓扑绝缘体的基础知识。第二章介绍了Bi2Se3、Bi2Te3晶体材料的几种常用生长方法，并简要介绍了研究中使用到材料的基本性质。第三章和第四章是论

4、文的主体部分，其中第三章是关于Sn．Bi2Se3单结电导谱的研究。Sn．Bi2Se3单结电导谱表现出了两个异常的现象：一个双能隙结构和一个零偏压电导峰，通过对这两个异常现象的分析，得知其体现了拓扑绝缘体与s波超导体界面的奇异特性。第四章首先研究了极薄的不连续铅膜在Bi2Te3表面通过邻近效应感应出的大片超导区。在此基础上，制备了极薄的不连续铅膜与拓扑绝缘体Bi2Te3构成的SQUID，观察到了两套SQUID振荡。分析表明这两套振荡分别来自于零Berry相位环路和任意Berry相位环路，而这样一种异常的任意Berry相位来源于S波超导体在拓扑绝缘体表面所诱导

5、的类P波超导态。第五章对本论文的工作进行总结和展望。拓扑绝缘体的低温电子输运性质研究关键词：拓扑绝缘体、S-N结、约瑟夫森结、超导量子干涉器IIAbstractTopologicalinsulatorsarenewstatesofquantummatterincondensedmatterphysics．Sincetopologicalinsulatorsareinsulatinginthebulkwithauniquetopologicalorderparameter,theirsurfacestatesareconductiveandprotected

6、frombackscatteringbytime-reversalsymmetry．Theorbitdegreeoffreedomandthespindegreeoffreedomofthesurface-stateelectronsinatopologicalinsulator(TI)areinterlockedwitheachother．Severalmaterialshavebeenpredictedandprovenbyangleresolvedphoto-emissionspectroscopy(ARPES)andscanningtunnelin

7、gmicroscope(STM)tobethree—dimensionaltopologicalinsulators．Amongthem，Bi2Se3andBi2Te3arehi曲lyvaluedbecauseoftheirsimplesurface-statebandstructureandfeasibilitytobeproduced，improvedinqualityandcleavagedintothinlayers．ItisbelievedthatP-wavesuperconductivitywhosevortexcorewouldsupport

8、Majoranamodeswillariseinthesurfac