fbpx
维基百科

拓扑绝缘体

二月 09, 2023

拓扑绝缘体是一种内部绝缘，界面允许电荷移动的材料。

拓扑绝缘体理想的能带结构。其费米能级位于块材的带隙，该带隙被拓扑保护的表面量子态所填满。

在拓扑绝缘体的内部，电子能带结构和常规的绝缘体相似，其费米能级位于导带和价带之间。在拓扑绝缘体的边界或是表面存在一些特殊的量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电[1]。拓扑绝缘体的块体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[2]。利用体边对应，可以预言材料在开边界条件下拓撲边缘态的性质。

预言和发现

拓扑保护的边缘状态（一维）在碲化汞/碲化镉量子阱中被预言于2006年[3]，随后于2007年由实验观测证实[4]。很快，拓扑绝缘体又被预言存在于含铋的二元化合物三维固体中[5][6]。第一个实验实现的三维拓扑绝缘体是在锑化铋中被观察到[7]，随后不同实验组又通过角分辨光电子谱的方法，在锑，碲化铋，硒化铋，碲化锑中观察到了拓扑保护的表面量子态[8]。现在人们相信，在其他一些材料体系中，也存在拓扑绝缘态[9]。在这些材料中，由于自然存在的缺陷，费米能级实际上是位于导带或是位于价带，必须通过掺杂或者通过改变其电势将费米能级调节到能隙之中，以观察拓扑保护的边缘状态[10][11]。

类似的边缘效应同样出现于量子霍尔效应之中。以|整数量子霍尔效应为例，在强垂直磁场下，低温的二维系统体态性质可以被拓扑量子数标记。在数学中，此拓扑量子数被称作陈数（Chern numbers）。二维量子霍尔系统边缘出现手性边缘态，陈数对应手性边缘态的数目和量子化电导 [12]。在拓扑材料的理论研究中，体边对应一直扮演着重要的角色。体边对应指的是，当真实的材料包含的原子数目非常大（数量级为 或更多），我们可以把此材料近似于热力学极限，并用布洛赫定理与能带理论来描述材料体态性质，并由此预言材料在开边界条件下受拓扑保护的边缘状态的性质[13]。


参考文献

  1. ^ Kane, C. L.; Mele, E. J. Quantum Spin Hall Effect in Graphene. Physical Review Letters (American Physical Society (APS)). 2005-11-23, 95 (22): 226801. doi:10.1103/physrevlett.95.226801. 
  2. ^ Kane, C. L.; Mele, E. J. Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect. Physical Review Letters. 30 September 2005, 95 (14): 146802. doi:10.1103/PhysRevLett.95.146802. 
  3. ^ Bernevig, B. Andrei; Taylor L. Hughes, Shou-Cheng Zhang. Quantum Spin Hall Effect and Topological Phase Transition in HgTe Quantum Wells. Science. 2006-12-15, 314 (5806): 1757–1761 [2010-03-25]. PMID 17170299. doi:10.1126/science.1133734. （原始内容于2008-06-17）. 
  4. ^ Konig, Markus; Steffen Wiedmann, Christoph Brune, Andreas Roth, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp, Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang. Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells. Science. 2007-11-02, 318 (5851): 766–770 [2010-03-25]. PMID 17885096. doi:10.1126/science.1148047. （原始内容于2010-05-11）. 
  5. ^ Fu, Liang; C. L. Kane. Topological insulators with inversion symmetry. Physical Review B. 2007-07-02, 76 (4): 045302 [2010-03-26]. doi:10.1103/PhysRevB.76.045302. 
  6. ^ Shuichi Murakami. Phase transition between the quantum spin Hall and insulator phases in 3D: emergence of a topological gapless phase. New Journal of Physics. 2007, 9 (9): 356–356 [2010-03-26]. ISSN 1367-2630. doi:10.1088/1367-2630/9/9/356. 
  7. ^ Hsieh, D.; D. Qian, L. Wray, Y. Xia, Y. S. Hor, R. J. Cava & M. Z. Hasan. A Topological Dirac insulator in a 3D quantum spin Hall phase. Nature. 2008, 452 (9): 970–974 [2010]. PMID 18432240. doi:10.1038/nature06843. （原始内容于2009-12-23）. 
  8. ^ Hasan, M. Z; C. L Kane. Topological Insulators. 1002.3895. 2010-02-20 [2010-04-27]. （原始内容于2021-03-08）. 
  9. ^ Lin, Hsin; L. Andrew Wray, Yuqi Xia, Suyang Xu, Shuang Jia, Robert J. Cava, Arun Bansil, M. Zahid Hasan. Half-Heusler ternary compounds as new multifunctional experimental platforms for topological quantum phenomena. Nat Mater. 2010-07, 9 (7): 546–549 [2010-08-05]. ISSN 1476-1122. PMID 20512153. doi:10.1038/nmat2771. 
  10. ^ Hsieh, D.; Y. Xia, D. Qian, L. Wray, F. Meier, J. H. Dil, J. Osterwalder, L. Patthey, A. V. Fedorov, H. Lin, A. Bansil, D. Grauer, Y. S. Hor, R. J. Cava, M. Z. Hasan. Observation of Time-Reversal-Protected Single-Dirac-Cone Topological-Insulator States in Bi2Te3 and Sb2Te3. Physical Review Letters. 2009, 103 (14): 146401 [2010-03-25]. PMID 19905585. doi:10.1103/PhysRevLett.103.146401. 
  11. ^ Noh, H.-J.; H. Koh, S.-J. Oh, J.-H. Park, H.-D. Kim, J. D. Rameau, T. Valla, T. E. Kidd, P. D. Johnson, Y. Hu and Q. Li. Spin-orbit interaction effect in the electronic structure of Bi2Te3 observed by angle-resolved photoemission spectroscopy. EPL Europhysics Letters. 2008, 81 (5): 57006 [2010-04-25]. doi:10.1209/0295-5075/81/57006. 
  12. ^ Hatsugai Y. Chern number and edge states in the integer quantum Hall effect.. Phys Rev Lett. 1993, 71 (22): 3697–3700. PMID 10055049. doi:10.1103/PhysRevLett.71.3697. 
  13. ^ Bernevig, B. Andrei; Hughes, Taylor L. Topological insulators and topological superconductors. Princeton. 2013. ISBN 978-1-4008-4673-3. OCLC 934514528. 

更多阅读

  • Moore, Joel. The Birth of Topological Insulators. Nature. 2010, 464 (7286): 194. PMID 20220837. doi:10.1038/nature08916. 
  • Kane, C. L.; Mele, E. J. A New Spin on the Insulating State. Science. 2006, 314 (5806): 1692. PMID 17170283. doi:10.1126/science.1136573. 
  • Kane, C.L. Topological Insulator: An Insulator with a Twist. Nature. 2008, 4 (5): 348. doi:10.1038/nphys955. 
  • Witze, Alexandra. Topological Insulators: Physics On the Edge. Science News. 2010. （原始内容于2012-09-27）. 
  • Brumfield, Geoff. Topological insulators: Star material : Nature News. Nature. 2010, 466 (7304): 310–311 [2010-08-06]. PMID 20631773. doi:10.1038/466310a. （原始内容于2017-10-12）. 
  • Murakami, Shuichi. Focus on Topological Insulators. New Journal of Physics. 2010. （原始内容于2011-03-09）. 

二月 09, 2023
拓扑绝缘体, 此條目需要擴充, 2015年5月2日, 请協助改善这篇條目, 更進一步的信息可能會在討論頁或扩充请求中找到, 请在擴充條目後將此模板移除, 是一种内部绝缘, 界面允许电荷移动的材料, 理想的能带结构, 其费米能级位于块材的带隙, 该带隙被拓扑保护的表面量子态所填满, 在的内部, 电子能带结构和常规的绝缘体相似, 其费米能级位于导带和价带之间, 在的边界或是表面存在一些特殊的量子态, 这些量子态位于块体能带结构的带隙之中, 从而允许导电, 的块体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,. 此條目需要擴充 2015年5月2日 请協助改善这篇條目 更進一步的信息可能會在討論頁或扩充请求中找到 请在擴充條目後將此模板移除 拓扑绝缘体是一种内部绝缘 界面允许电荷移动的材料 拓扑绝缘体理想的能带结构 其费米能级位于块材的带隙 该带隙被拓扑保护的表面量子态所填满 在拓扑绝缘体的内部 电子能带结构和常规的绝缘体相似 其费米能级位于导带和价带之间 在拓扑绝缘体的边界或是表面存在一些特殊的量子态 这些量子态位于块体能带结构的带隙之中 从而允许导电 1 拓扑绝缘体的块体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 2 利用体边对应 可以预言材料在开边界条件下拓撲边缘态的性质 预言和发现 编辑拓扑保护的边缘状态 一维 在碲化汞 碲化镉量子阱中被预言于2006年 3 随后于2007年由实验观测证实 4 很快 拓扑绝缘体又被预言存在于含铋的二元化合物三维固体中 5 6 第一个实验实现的三维拓扑绝缘体是在锑化铋中被观察到 7 随后不同实验组又通过角分辨光电子谱的方法 在锑 碲化铋 硒化铋 碲化锑中观察到了拓扑保护的表面量子态 8 现在人们相信 在其他一些材料体系中 也存在拓扑绝缘态 9 在这些材料中 由于自然存在的缺陷 费米能级实际上是位于导带或是位于价带 必须通过掺杂或者通过改变其电势将费米能级调节到能隙之中 以观察拓扑保护的边缘状态 10 11 类似的边缘效应同样出现于量子霍尔效应之中 以 整数量子霍尔效应为例 在强垂直磁场下 低温的二维系统体态性质可以被拓扑量子数标记 在数学中 此拓扑量子数被称作陈数 Chern numbers 二维量子霍尔系统边缘出现手性边缘态 陈数对应手性边缘态的数目和量子化电导e 2 h displaystyle frac e 2 h 12 在拓扑材料的理论研究中 体边对应一直扮演着重要的角色 体边对应指的是 当真实的材料包含的原子数目非常大 数量级为10 20 displaystyle 10 20 或更多 我们可以把此材料近似于热力学极限 并用布洛赫定理与能带理论来描述材料体态性质 并由此预言材料在开边界条件下受拓扑保护的边缘状态的性质 13 参考文献 编辑 Kane C L Mele E J Quantum Spin Hall Effect in Graphene Physical Review Letters American Physical Society APS 2005 11 23 95 22 226801 doi 10 1103 physrevlett 95 226801 Kane C L Mele E J Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect Physical Review Letters 30 September 2005 95 14 146802 doi 10 1103 PhysRevLett 95 146802 引文使用过时参数coauthors 帮助 Bernevig B Andrei Taylor L Hughes Shou Cheng Zhang Quantum Spin Hall Effect and Topological Phase Transition in HgTe Quantum Wells Science 2006 12 15 314 5806 1757 1761 2010 03 25 PMID 17170299 doi 10 1126 science 1133734 原始内容存档于2008 06 17 引文使用过时参数coauthors 帮助 Konig Markus Steffen Wiedmann Christoph Brune Andreas Roth Hartmut Buhmann Laurens W Molenkamp Xiao Liang Qi Shou Cheng Zhang Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells Science 2007 11 02 318 5851 766 770 2010 03 25 PMID 17885096 doi 10 1126 science 1148047 原始内容存档于2010 05 11 引文使用过时参数coauthors 帮助 Fu Liang C L Kane Topological insulators with inversion symmetry Physical Review B 2007 07 02 76 4 045302 2010 03 26 doi 10 1103 PhysRevB 76 045302 引文使用过时参数coauthors 帮助 Shuichi Murakami Phase transition between the quantum spin Hall and insulator phases in 3D emergence of a topological gapless phase New Journal of Physics 2007 9 9 356 356 2010 03 26 ISSN 1367 2630 doi 10 1088 1367 2630 9 9 356 Hsieh D D Qian L Wray Y Xia Y S Hor R J Cava amp M Z Hasan A Topological Dirac insulator in a 3D quantum spin Hall phase Nature 2008 452 9 970 974 2010 PMID 18432240 doi 10 1038 nature06843 原始内容存档于2009 12 23 引文使用过时参数coauthors 帮助 Hasan M Z C L Kane Topological Insulators 1002 3895 2010 02 20 2010 04 27 原始内容存档于2021 03 08 引文使用过时参数coauthors 帮助 Lin Hsin L Andrew Wray Yuqi Xia Suyang Xu Shuang Jia Robert J Cava Arun Bansil M Zahid Hasan Half Heusler ternary compounds as new multifunctional experimental platforms for topological quantum phenomena Nat Mater 2010 07 9 7 546 549 2010 08 05 ISSN 1476 1122 PMID 20512153 doi 10 1038 nmat2771 引文使用过时参数coauthors 帮助 Hsieh D Y Xia D Qian L Wray F Meier J H Dil J Osterwalder L Patthey A V Fedorov H Lin A Bansil D Grauer Y S Hor R J Cava M Z Hasan Observation of Time Reversal Protected Single Dirac Cone Topological Insulator States in Bi2Te3 and Sb2Te3 Physical Review Letters 2009 103 14 146401 2010 03 25 PMID 19905585 doi 10 1103 PhysRevLett 103 146401 引文使用过时参数coauthors 帮助 Noh H J H Koh S J Oh J H Park H D Kim J D Rameau T Valla T E Kidd P D Johnson Y Hu and Q Li Spin orbit interaction effect in the electronic structure of Bi2Te3 observed by angle resolved photoemission spectroscopy EPL Europhysics Letters 2008 81 5 57006 2010 04 25 doi 10 1209 0295 5075 81 57006 引文使用过时参数coauthors 帮助 Hatsugai Y Chern number and edge states in the integer quantum Hall effect Phys Rev Lett 1993 71 22 3697 3700 PMID 10055049 doi 10 1103 PhysRevLett 71 3697 Bernevig B Andrei Hughes Taylor L Topological insulators and topological superconductors Princeton 2013 ISBN 978 1 4008 4673 3 OCLC 934514528 更多阅读 编辑Moore Joel The Birth of Topological Insulators Nature 2010 464 7286 194 PMID 20220837 doi 10 1038 nature08916 Kane C L Mele E J A New Spin on the Insulating State Science 2006 314 5806 1692 PMID 17170283 doi 10 1126 science 1136573 引文使用过时参数coauthors 帮助 Kane C L Topological Insulator An Insulator with a Twist Nature 2008 4 5 348 doi 10 1038 nphys955 Witze Alexandra Topological Insulators Physics On the Edge Science News 2010 原始内容存档于2012 09 27 Brumfield Geoff Topological insulators Star material Nature News Nature 2010 466 7304 310 311 2010 08 06 PMID 20631773 doi 10 1038 466310a 原始内容存档于2017 10 12 Murakami Shuichi Focus on Topological Insulators New Journal of Physics 2010 原始内容存档于2011 03 09 取自 https zh wikipedia org w index php title 拓扑绝缘体 amp oldid 75766568, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

文章

，阅读，下载，免费，免费下载，mp3，视频，mp4，3gp， jpg，jpeg，gif，png，图片，音乐，歌曲，电影，书籍，游戏，游戏。