拓扑绝缘体纳米线及其与磁性、超导复合结构中的量子输运现象研究

Topological insulator(TI) is a new state of matter. Theoretical prediction showed that the breaking of the time-reversal symmetry in surface state of TI will bring a series of new phenomena.In this project, we will explore: (1)the quantum transport properties of TI surface state in high magnetic field and the probable helical Luttinger liquid behavior in ultra thin TI wire; (2)the magnetic-induced new phenomena of surface state in Tl/magnet hybrid structures, such as the anomalous magnetoresistance or quantum Hall effect; (3)the superconducting proximity-induced one-dimensional topological superconductor in Tl nanowire /superconductor hybrid structures and the Majorana fermions.The methods we will employ in this project including:(1)the TI single crystal flakes or wires are synthesized by both chemical vapor deposition(CVD) and template-assistant electrodeposition;(2)the Tl/FM, Tl/SC hybrid devices are fabricated by electron-beam or focused ions beam lithography technique;(3)exploring the magnetotransport properties of these devices in high magnetic fields through the manipulation of the chemical potential by applying a gate voltage using ions liquid electrode technique. It is our desire that our work will provide a valuable information for future spintronics and topological quantum devices for comquam ncomputation.

拓扑绝缘体是近几年才发现的一个新物质态。理论研究发现: 破坏拓扑绝缘体表面态的时间反演对称性，将展现出丰富多彩的物理特性，不仅使得人们对自旋电荷耦合机制有了更深入的认识，而且催生了制备自旋电子学器件的新思路。本项目拟开展：（1）拓扑绝缘体纳米线在高磁场下的量子输运以及探寻理论预言的表面态螺旋Luttinger 液体行为；（2）TI与磁性复合器件中磁诱导的新现象，如反常磁电阻效应、反常量子霍尔效应等；（3）在TI单晶纳米线与超导电极组成的异质结纳米器件中，探索超导近邻效应诱导的一维拓扑超导体以及Majorana费米子。其手段是利用化学气相沉积（CVD）、电化学沉积等方法制备单晶TI纳米线，通过电子束和离子束刻蚀等技术制备纳米器件，采用离子液体施加门电压技术，对TI薄膜或纳米线的化学势进行调控，探测表面态的变化规律等，为未来自旋电子学器件以及新型拓扑量子计算器件的研发提供实验依据。

本项目的核心是探索拓扑量子材料，包括拓扑绝缘体、Dirac半金属和Weyl半金属及其复合结构（如磁性和超导等）在强磁场、高压以及受限几何条件下的新奇量子特性。主要内容包括：（1）拓扑Dirac量子材料（Sb1.9Bi0.1Te3/ BaFe12O19亚铁磁复合结构、ZrTe5、PtBi2、Cd3As2等）在高磁场下的新量子态与新效应研究；（2）强自旋-轨道耦合量子材料Sr4Ru3O10的尺寸效应和磁场调控研究； （3） 拓扑磁性斯格明子材料的磁结构观察与操控研究。取得的主要成果包括：成功合成制备出立方结构的PtBi2, 发现在33T磁场下的磁电阻高达1.12×10^7%，超过目前已知的其他拓扑半金属材料中观察到的最大磁阻， 实验和理论证明PtBi2是一个新的拓扑半金属材料 ；实验观察到ZrTe5单晶手性磁效应、磁场诱导的三维Dirac半金属到二维外尔半金属的拓扑相变、压力诱导的三维Dirac半金属到平庸半金属的转变以及厚度诱导拓扑半金属到平庸金属的转变等；在Bi单晶纳米片中，观察到表面态的弱反局域化现象，揭示出低维 Bi 纳米结构量子尺寸效应可能诱导出拓扑绝缘体特性；详细研究了Cd3As2纳米片在局域以及非局域探测下的量子输运特性，清晰观察到局域的二维费米弧表面态量子振荡特性；利用平面Hall测量手段，首次发现Sr4Ru3O10尺寸诱导的自旋沿c轴到ab-面的再取向，并且ab-面的极化方向沿[-110] ；利用洛伦茨电镜和电子全息方法，成功实现在FeGe纳米条带和纳米盘中观察到单个磁斯格明子或团簇以及尺寸对其形状的调控，首次实现对MnSi 纳米线单个磁斯格明子的电学探测等。发表SCI论文30 篇，受邀在国内外大会作邀请报告25次，培养博士研究生3名，博士后8名，1人获得“优青”和亚洲磁学联盟青年学者奖等。