华体会体育app官网:原料人科普 诺奖中的拓扑绝缘体终究是什么鬼?

发布时间:2022-05-09 02:33:06 来源:华体会体育app官方下载 作者:hth华体会手机app 分类:新型绝缘材料

  拓扑绝缘体自2007年被发掘[1]从此,逐步成为了固结态物理规模的一个的新热门,并被以为是继石墨烯(2010年诺贝尔物理学奖)之后的”Next Big Thing”。它对待根柢物理的领略以及半导体器件的使用都有很大的价格,所以三位重要的奉献者C. Kane, L. Molenkamp和S.C. Zhang教化合伙得回了2012年固结态物理规模的最高奖”Oliver Buckley”奖,而且成为2014年诺贝尔物理学奖的热点人选。2016年,大卫·索利斯(David J. Thouless)、邓肯·霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)和迈克尔·科斯特利茨(J. Michael Kosterlitz)合伙得回了诺贝尔物理学奖,以奖赏他们正在表面上发掘了物质的拓扑相变和拓扑相。本文即是对待拓扑绝缘体规模的幼科普,失当当之处,请行家赐正。

  广义来看,拓扑绝缘体的界说有良多种——把原有的界说经历删改,得回的物态或多或少拥有拓扑绝缘体的性子。然而如许却使得很难下界说。好比,假若有人直观的把近代物理学的”自旋-轨道耦合”当界说的因素,就有人会说“能带反转”特别迫近拓扑本色;假若有人说”能带反转”是界说的因素,那么就有人说受“时分反演爱戴”也不成或缺;假若有人把“受时分反演爱戴“举动界说的因素,就有人会说其他对称性也恐怕发作拓扑绝缘体;假若有人只是探讨被对称性爱戴,那么量子霍尔效应也知足这个要求,只是分歧的拓扑数罢了;然而当对称破缺的光阴,量子霍尔效应的良多性子,仍旧和拓扑绝缘体相隔甚远:拓扑绝缘体是helical state,对称破缺后下能回到日常绝缘体,而量子霍尔效应是chiral 态,纵使没有长程缠绕也变不回变为直积态。

  纵使有人思回归资料的角度,好比Bi2Se3族的拓扑绝缘体说起,然而这只是实行上发掘的一幼类拓扑绝缘体,叫做“Z2三维强拓扑绝缘体”。。。

  简言之,拓扑绝缘体的内部是绝缘体,然而表观却有被拓扑爱戴的电子态。这个电子态的维度比内部要低1个维度(好比对一个3维绝缘体,表观电子态即是2维),况且有良多新颖的性子。也恰是这些性子,使得它有恐怕被通常的使用。

  正在目前已有洪量实行探求的那一类拓扑绝缘体的新颖的表观电子态的性子平凡如下:

  导体和绝缘体的区别,就不问可知了吧。简言之,原子的能级,正在原子之间有彼此感化的光阴,变成能带。简述如下,如下图1.(a)。导体能导电是因为存正在自正在电子。自正在电子即是电子(哆啦蓝色的实心圆)不吃力气被散射,到统一条能带上的空态上(哆啦蓝色的空心圆)落脚。

  对待一个绝缘体,不行导电是因为没有自正在电子导致的,即是能量较低的价带(橙色弧线)填满电子,仍旧没有电子落脚点,于是电子思要被散射酿成自正在电子,就起码须要表界供应赶过数值为Eg的能量(叫做能隙),才智落脚到导带(绿色弧线)上。

  正在这里,导体和绝缘体都有如许的能量E和动量k的相干,E=k^2/2m, m为有用质地,对待价带,可能以为 m0。这本性子是日常绝缘体表观所没有的。日常绝缘体表观,假使能带可能弯曲,但仍是属于绝缘体,能隙不会消灭。能隙的消灭,就属于一种量子相变。

  所谓电阻,即是电子的运动被某些东西给碰撞窒碍,使其运动受阻的宏观显露。如图1.(b),绝缘体电阻是因为能隙,然而,金属电阻里的“神马玩意儿”有几个常见的开头,一个是电子被声子碰撞,一个是电子被杂质碰撞。假设下图2里,哆啦A梦代表电子,胖虎是来撞他的杂质,那么拓扑绝缘体的表观电子预防被杂质散射的历程可能地步地表现为电子是否能背向散射(弹回去)。恰是这本性子导致了低电阻,而内部是绝缘体又预防了泄电,从而造作的器件以低功耗运转,使得拓扑绝缘体正在半导体器件使用规模有潜正在的价格。

  拓扑绝缘体的电子运动不适合平凡金属电子色散相干E=k^2/2m,而是E=v*k,v即是电子运动的速度(已假定k0=0)。谨慎对光而言,有E=c*k建树,此中c为光速,于是咱们说,电子的运动方法,不像非相对论的粒子,而像光,只是速度分歧。画正在能带图里,如下图3。也恰是这本性。

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