張首晟實(shí)驗(yàn)工作成果介紹

張首晟實(shí)驗(yàn)工作成果介紹——拓?fù)浣^緣體理論簡介個(gè)人簡介張首晟，漢族，美國華裔科學(xué)家。因在“量子自旋霍爾效應(yīng)”理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)觀測領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，張首晟與4位歐美科學(xué)家共同榮獲2010年“歐洲物理獎(jiǎng)”，是獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的首位華人科學(xué)家。主要貢獻(xiàn)包括對(duì)拓?fù)浣^緣體、量子自旋霍爾效應(yīng)、自旋電子學(xué)、高溫超導(dǎo)等領(lǐng)域的研究。2006年，張首晟提出提出拓?fù)浣^緣體理論的材料實(shí)現(xiàn)方案，即通過控制電子的自旋運(yùn)動(dòng)來降低能耗。2007年，張首晟成為世界上第一個(gè)以實(shí)驗(yàn)結(jié)果來證實(shí)拓?fù)浣^緣體理論的學(xué)者，他的理論和實(shí)踐為信息技術(shù)帶來了革命性發(fā)展。同年其領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)提出“量子自旋霍爾效應(yīng)”，首次從實(shí)驗(yàn)中觀測到量子反?；魻栃?yīng)。張首晟還將量子力學(xué)、狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來，從而建立起“大統(tǒng)一場理論”。拓?fù)浣^緣體簡介

拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物態(tài)。拓?fù)浣^緣體是一類非常特殊的絕緣體，傳統(tǒng)上固體材料可以按照其導(dǎo)電性質(zhì)分為絕緣體、導(dǎo)體和半金屬絕緣體材料在其費(fèi)米能處存在著有限大小的能隙，因而沒有自由載流子；金屬材料在費(fèi)米能級(jí)處存在著有限的電子態(tài)密度，進(jìn)而擁有自由載流子；半金屬材料在費(fèi)米能處沒有能隙，但是費(fèi)米能級(jí)處的電子態(tài)密度仍然為零從理論上分析，拓?fù)洳牧系捏w內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)是典型的絕緣體類型，在費(fèi)米能處存在著能隙，然而在該類材料的表面則總是存在著穿越能隙的狄拉克型的電子態(tài)，因而導(dǎo)致其表面總是金屬性的。其特殊的電子結(jié)構(gòu)，是由其能帶結(jié)構(gòu)的特殊拓?fù)湫再|(zhì)所決定的。這類材料是純的化學(xué)相，非常穩(wěn)定且容易合成這類材料表面態(tài)中只有一個(gè)狄拉克點(diǎn)存在，是最簡單的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，這種簡單性為理論模型的研究提供了很好的平臺(tái)該材料的體能隙非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出室溫能量尺度，這也意味著有可能實(shí)現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子器件拓?fù)浣^緣體特性拓?fù)浣^緣體原理晶格周期性勢場中運(yùn)動(dòng)粒子的薛定諤方程：布洛赫定理：一、能帶理論二、導(dǎo)體和絕緣體的能帶示意圖其中(a)為導(dǎo)體,(b)為普通絕緣體,(c)為量子霍爾絕緣體,(d)為時(shí)間反演不變的拓?fù)浣^緣體圖中黑色實(shí)線代表費(fèi)米面,虛線代表邊緣態(tài),對(duì)于絕緣體來說,費(fèi)米面處在禁帶之中。當(dāng)樣品有邊界時(shí),禁帶之間存在著受到拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊緣態(tài)(如(c)和(d)),這些邊緣態(tài)連接體系的價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底三、整數(shù)量子霍爾效應(yīng)人們在研究強(qiáng)磁場中的二維電子氣時(shí),發(fā)現(xiàn)它的橫向霍爾電導(dǎo)在外磁場改變時(shí)會(huì)在e2/h的整數(shù)倍處出現(xiàn)平臺(tái)四、拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)示意圖（a）破壞時(shí)間反演的整數(shù)霍爾系統(tǒng)（b）時(shí)間反演不變的自旋霍爾絕緣體,其中的灰色實(shí)線和灰色虛線是一對(duì)時(shí)間反演共軛對(duì)拓?fù)浣^緣體發(fā)展歷程1879年，Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)1980年，VonKlitzing在硅的金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)中首次觀測到整數(shù)量子霍爾效應(yīng)(QHE）2005年和2006年，Kane和張首晟等人分別預(yù)言，利用電子的自旋一軌道耦合，在零磁場下QSHE態(tài)即可實(shí)現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)它的體系，就是二維拓?fù)浣^緣體2006年，張首晟的研究組獨(dú)立地提出了一種實(shí)現(xiàn)QSHE的一般理論，并預(yù)言了HgTe／CdTe超晶格結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)QSHE2