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标题: （大赦）聊聊拓扑绝缘体 [打印本页]
作者: back    时间: 2011-11-24 17:52
标题: （大赦）聊聊拓扑绝缘体
(话说自从大学毕了业就很少码字了，大部分时间都贡献给了lab...以前在西河老是潜着，也没觉得太憋...后来跟着跟着就来了这，这下好了，两眼黑，估摸着得吱两嗓子了，要不然可真要黑到头了....); O5 c, O' |8 w5 f9 n* t# A
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加入咱这个组织几个月了，为了响应组织号召，为了四有新人的目标（有车有钱有房有女人，即有权限发帖看帖，有爱元，有子个的地盘，有人气）咱决定趁老板出去开会期间多多吱两声，为组织添砖加瓦。
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咱是理科出身的，没啥长处，就扯一下自己做过的几个project吧。
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今天就聊聊目前凝聚态物理方面最热门的话题：拓扑绝缘体（topological insulator）* }) e" v. h# Q& `# v  V1 m

" R- U3 y2 q2 t" ^0 o- ?% x啥是拓扑绝缘体呢？: l6 M6 `; S) M* v7 Z3 u) |+ e' S' C% B

# A. P. _) P) u; C一般来说，物体根据导电性质可简单的划分为导体（金属之类），半导体（如Si,GaAs,In2O3,ZnO之类）和绝缘体（大部分的有机材料，氧化物和单质类如O2，N2等等）。 这些划分呢，是根据他们自身的band structure 来决定的，主要是靠Fermi level 在band gap 以内或之上之下来决定的，还靠electron or hole 的占据态来决定。topological insulator是一种新的材料，简单来说它是介于导体和绝缘体之间的全新的一种物质，即表面为导体(2D electron gas)而内部为绝缘体。Fermi level 在这种材料中是从bandgap 穿过的，而bandgap中有穿插了surface state（即conductionband 和valanceband 之间是gapless的）。 这就决定了拓扑绝缘体的一些极为特殊的性质。
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为啥叫拓扑呢？
) ?$ c: s) ^" ?% ?
& b" Y. Z, Z( k7 N" d: o' @这个问题是这么回事，在凝聚态理论物理里面，有个概念叫Berry phase，80年代才提出来的，但是量子物理里面忽略了几十年的一个相位（主要是由于抵消效应所以才不重视的）。这个Berry phase在特殊的条件下，比如电子是time-dependent adiabatic evolution的，在parameter-space中环形一圈回到原点的情况下，会产生一个几何非0相位。那么这个非0相位呢，就会影响到了它的电学传输性质。在time reversal 和 inversal symmety的情况下，考虑到strong spin-obital coupling的影响，就会产生某些特殊材料的表面出现二维电子气而内部绝缘体效应了。而这个berry phase是由什么决定的呢？就是物质的band structure geometry决定的。一般数学里面用chern number来表示这个东西，所以就叫做拓扑绝缘体。 这两年的研究表明量子霍尔效应，自旋量子霍尔效应等都是由chern number 决定的。 （加点私货，前不久读非线性系统也发现用拓扑学来为系统归类，不禁感慨世界的奇妙啊....)/ A9 d  T0 o& z' U$ ]0 `4 {; K- F" Q

/ f. x" B( m" n! D应用7 Z2 h% e1 l7 P0 @% _

! W9 C/ K# t! c5 T" E& [如果对物理稍微感兴趣的人肯定知道去年的物理诺奖--graphene，别名碳单原子层，TI和它有些类似，但是里面有更复杂和有趣的物理。譬如说TI的表面有自旋极化的电流，这种极化电流受到时间反演得对称性保护导致电子不会出现散射==〉导电性极好。自旋极化的电子一般只有在磁场下才会产生，而在这种材料中，通过控制电流方向就可以轻易改变自旋极化方向《==spin obital coupling 效应。 所以呢，这种材料在磁阻存储和量子计算机中能发挥相当惊人的....(没想好啥词，总之是申请funding中的那些blahblah的东西啦，呵呵). `# |' S2 `/ }: q4 }- [

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7 h2 t/ P* r; D5 J& Y  O3 W发展状态
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0 y8 ]. C5 Z4 s这个理论是从2000年后逐渐提出来的，于2009年左右正式完工。向奋斗在凝聚态物理最前沿的人致以崇高的敬意！（他们是斯坦福的ZhanSC，Hasan等理论巨头，普林斯顿的NP Ong, 日本的Ando等试验巨头）。
* z9 w# _% b7 B6 _; u- f, I, |/ @7 x国内发展状况：目前中科院北物所的XueQK和ZhongF教授分别在试验和理论方面紧跟，港科大的ShenSQ教授在理论方面也是有不少贡献) 总的来说，国内这方面的课题是紧跟前沿的。, L  A! C4 H) N8 C" `; s

# [' Y, d0 @" J  ~只是简单介绍一下目前在做的东西而已，就这些能拿出手了....(也考虑过帖点以前写的东西.....实在拿不出手阿，哈哈）5 x9 R* Z/ x; v4 R/ R

/ g: U1 d+ L  N. l+ S0 _4 A6 ?& d土鳖抗铁牛
作者: arixene    时间: 2011-11-24 18:43
graphene出来以后，搞nano的蜂拥而上，各种化学修饰，有机的，无机的，生物的，只要能挨上边的都上，不挨边的想办法也要上。这就是科研，sigh。
作者: back    时间: 2011-11-24 19:13
arixene 发表于 2011-11-24 18:43
. u* U1 ^3 `& O& E( ^$ f" }graphene出来以后，搞nano的蜂拥而上，各种化学修饰，有机的，无机的，生物的，只要能挨上边的都上，不挨边 ...
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这个也是没有办法的阿。。。这年头都是科技民工，你不灌水别人灌...从另外一个方面也说明了科研领域全球化分工开始泛滥化...nano的那些东西 确实是....不过也得往好的方面看嘛，造出了这么多大神让年轻一辈的科研人员去推翻...呵呵
作者: 不爱吱声    时间: 2011-11-24 21:35
等你的铁牛，欢迎科普，先给你邀请码了。
作者: back    时间: 2011-11-24 22:06
不爱吱声 发表于 2011-11-24 21:35
) c+ y4 [: R5 F等你的铁牛，欢迎科普，先给你邀请码了。
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谢谢！呵呵
作者: 万里风中虎    时间: 2011-11-25 08:52
喜欢这种文章，不爱更喜欢，我就送点分给你吧。
作者: back    时间: 2011-11-25 10:15
万里风中虎 发表于 2011-11-25 08:52
0 Q: Y/ h" o# l5 s9 |  `0 z喜欢这种文章，不爱更喜欢，我就送点分给你吧。

" f4 ?* ~0 j4 s! S, M# ~谢谢谢谢，呵呵
作者: back    时间: 2011-11-30 18:07
啊狐 发表于 2011-11-29 02:13 . t4 [% p! |; }# \: l: P, L
知道time reversal symmetry， 但是 这个 inversal symmetry 是啥呀 莫非是inversion symmetry的typo？ ...
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就空间对称，比如说一个三维的单晶内部 任何的一个点都是空间对称的，但是表面就不是对称的，所以TI会在表面出现这种奇特的性质。
作者: 绝处逢生    时间: 2011-12-4 14:52
听过薛其坤的报告，他再凝聚态低维物理实验方面做得还是挺牛的。搞得我一个哥们后悔没有师从他老人家，而去了UC-Irvine跟了wilson。
作者: 茉莉    时间: 2012-1-19 23:18
圡人想進來長見識，但有點太專業來
0 @2 _+ W$ x- Y* N, g/ X比如 electron or hole 的占据态 是甚麼東東？
0 l' c$ u8 o8 C) h: Z4 b希望lz在專業術語上加以解釋，照顧一下我們這些有求知慾的外行
作者: back    时间: 2012-5-29 16:27
茉莉 发表于 2012-1-19 23:18 ) g6 l; D8 _" C* u0 S$ @# W
圡人想進來長見識，但有點太專業來
* p5 Q$ Q+ ?- K8 \. {% \比如 electron or hole 的占据态 是甚麼東東？
7 y  s1 J& u0 C  z! k希望lz在專業術語上加以 ...
( l2 F* Z6 A+ A
其实在半导体中，态密度是很重要的一个概念，态密度就是carrier（导电子？）在不同能量下的可能的状态统计。这些态是有严格规定的（由电子在晶体中的波函数来决定，晶体的结构也决定了态密度），半导体中，导电的介质有两种，一个就是电子，另外一个就是空穴，空穴就是电子在价带迁移后留下来的空态，是有效于带正电荷的粒子。所以，电子和空穴并存于半导体中的导带和价带中，并能同时作为导电介质来形成电流的。 由于温度和统计的原因，电子和空穴并不会完全占据所有的电子态 或者说电子或空穴在某个能量和温度下处于某一个特定态的几率是被定义的。
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希望能有用....
作者: back    时间: 2012-5-29 16:32
蒲将军 发表于 2011-12-25 08:51
: M' N. G$ e4 G; p哈哈，顶一下拓扑绝缘体。6 E1 N* e( N+ c! v7 s, V

+ D, I  e5 h! ^; B- W% G另外说一下，那个Chern number里的Chern就是陈省身老先生了。

# Y0 o& ]: W9 u4 b3 U谢谢科普，Simons的故事还是第一次听说..
作者: back    时间: 2012-5-29 16:37
绝处逢生 发表于 2011-12-4 14:52
3 i0 \& O  I! b) o听过薛其坤的报告，他再凝聚态低维物理实验方面做得还是挺牛的。搞得我一个哥们后悔没有师从他老人家，而去 ...
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都是大拿，薛是做STM出身的吧？
作者: birdf    时间: 2012-6-6 06:23
一直没理解为什么叫 拓扑绝缘体 而不叫 拓扑导电体 呢? 在实际应用中, 应该是利用其在表面上导电的特性吧.
作者: back    时间: 2012-6-7 16:18
birdf 发表于 2012-6-6 06:23 / \, U$ f$ w9 n
一直没理解为什么叫 拓扑绝缘体 而不叫 拓扑导电体 呢? 在实际应用中, 应该是利用其在表面上导电的特性吧.  ...
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嘿嘿，这个咱就不太清楚了，试着解释一下，之前理论研究者们主要是关注与量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应，这两种效应都是直接和物质中能带的拓扑性直接相关的，并且两种物理现象都是内部绝缘，边缘导电的。而导电边缘是由于物质内和物质外的绝缘体陈数（cher number）不一样而产生的，换句话说这个导电层/边缘是在研究不同陈数的绝缘体接触中产生的。所以这种物质就叫拓扑绝缘体了.....7 x  Q9 C8 c! r

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作者: 绝处逢生    时间: 2012-6-12 01:29
back 发表于 2012-5-29 16:37 6 c( W$ R" X; j9 W( |2 o) e( v" i
都是大拿，薛是做STM出身的吧？

% \" v% a8 x: x2 g8 P6 a现在是做STM，以前不是。以前是做超导的。
作者: 我爱莫扎特    时间: 2012-6-12 05:02
graphene一般翻译成石墨烯吧。
- B. W7 e* X# ?  o
# h% i8 \, b) aSIMONS在金融圈里名气很大。
0 i4 U& F! n5 M' V. U7 ahttp://blog.eastmoney.com/dongjianheng/blog_120135230.html
作者: back    时间: 2012-6-12 22:31
我爱莫扎特 发表于 2012-6-12 05:02   O5 v7 m2 m2 Z: m
graphene一般翻译成石墨烯吧。5 Q  ]; q& V4 [1 J
6 t7 s4 O  \$ U- [$ G
SIMONS在金融圈里名气很大。

6 H; i% G2 m6 Y0 _: C: Y" R牛人啊。。。膜拜中....
作者: back    时间: 2012-6-12 22:33
绝处逢生 发表于 2012-6-12 01:29 4 w) N2 l4 B0 \2 H  ~
现在是做STM，以前不是。以前是做超导的。

( z. O6 F* Y, \$ Y6 M9 A. w+ G恩，谢谢回复，原来以前是做超导的啊....我还一直以为是STM的呢
作者: KryptonHelium    时间: 2012-8-30 22:58
birdf 发表于 2012-6-6 06:23
: u" M+ c; c( P1 }$ c$ x0 Z7 q7 j一直没理解为什么叫 拓扑绝缘体 而不叫 拓扑导电体 呢? 在实际应用中, 应该是利用其在表面上导电的特性吧.  ...
7 K' _( |7 M4 c0 ^: D
因为导电是果，绝缘是因  e2 ~. [6 u  s0 r- |9 C2 {3 N
( y1 E6 d5 Y: c5 Y
为什么绝缘是因呢？因为拓扑绝缘体拓扑的特征是由占据能级的电子决定的。只有电子各安其位，物质的拓扑特征才是确定的，金属的特点是，只要不是绝对零度，电子就会在能级间跑来跑去，因此也就没有确定的拓扑特征。
" u( v6 K2 K" g/ r0 W1 S3 d' n3 g& ^
两个拓扑特征不同的绝缘体放在一起，为了实现拓扑特征的联系变化，在界面就必须变成金属。就好象黑和白之间必然会有灰色区域一样。
作者: KryptonHelium    时间: 2012-8-30 23:14
俺也是搞这行的。说两句赚点钱- G# y& K5 w. n. _1 Z

. m1 z; U( t) f) M5 O! [# K大家知道，大家生活的世界是“经典”的，这个世界的特点是不完美，有缺点，有损耗。/ E$ I) d5 _% R5 V
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但是微观世界更加“完美”，电子绕着原子核转，是没有损耗的，可以永远转下去。那么能不能让我们宏观的世界这样完美呢？因为这样就会没有能量损耗，也可以没有信息损耗。
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5 {' G# s3 ]6 s4 r8 U( |$ f这是可能的，第一个例子就是超导，可以完全没有能量损耗，这里就不讲了。: F. \# I  Z& P% m$ z  i, \) T  Y
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另一个例子就是获过两次诺奖的（加上石墨烯三次）量子霍尔效应。这个就是利用拓扑性质。基本原理就是，一个轮胎，上面有个洞，怎么扭它，它还是有个洞，这就是拓扑性质，对干扰不敏感。如果电子在微观世界的状态可以像拓扑性质一样对干扰不敏感，就可以在宏观的不完美的世界保持完美。
: F* r. H$ |$ \" M, Z+ z. Z2 t& q# R+ }9 u2 a- W5 E9 t# ?$ f
大家都知道电阻的单位 欧姆，现在就是靠量子霍尔效应完美的电阻值来定义。! L  z1 v( d0 K, L
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但量子霍尔效应需要很强的磁场才可以出现，近来火爆的拓扑绝缘体就是不需要外磁场也可以出现，当然另外还有很多有意思的性质。比如和超导体放在一起，可以实现所谓的Majorana态，这个东西对量子计算非常有用。量子计算我也不懂，但总之很牛就是了，现在银行用的基于分解质因数的密码系统在量子计算面前是不堪一击的。- S7 p2 a8 a. Z9 n) {

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作者: KryptonHelium    时间: 2012-8-31 21:37
KryptonHelium 发表于 2012-8-30 23:14 + V: n: I$ q7 H& l
俺也是搞这行的。说两句赚点钱
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& r" O$ ^# _) ?8 x7 o, C, Z9 `9 a4 Q大家知道，大家生活的世界是“经典”的，这个世界的特点是不完美， ...
$ l$ B, |/ g1 J/ X9 @" `
哈哈，实验实验，所以也只能讲到这个地步了



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