利用基于同步辐射光源的角分辨光电子能谱仪（ARPES）研究凝聚态系统中的不寻常拓扑性质

The discovery of topologically non-trivial states of matter (including topological insulators, TI) opens up a new realm of knowledge for fundamental condensed matter physics. The impact of this rapid growing field extends from basic science to technical applications. On one hand, these materials may contain information that helps answering questions as fundamental as why dark matter is missing in the Universe. On the other hand, they are expected to shed light on technical concepts toward future quantum computing process via the application of spintronics. The purpose of the present funding application is to study systematically the electronic structures of various topological non-trivial systems using angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) – a technique that is famous for its unique momentum space resolution – in order to discover novel topological phases of condensed matter, and gain new insight on the versatility of condensed matter systems. Within the scope of this application, we aim at studying the following directions: (1) Three dimensional Dirac cone materials, Bulk Rashba systems and Weyl semimetals; (2) Topological superconductors and superconducting TIs; (3) TI-based heterostructures; and (4) Topological Kondo insulators. Since the entire momentum space of a material can be probed only by synchrotron-based ARPES systems, and such systems are currently unavailable in China, the researches included in this proposal will be conducted at several foreign synchrotron light sources; the monetary support of this application will mainly be used on foreign travels to various synchrotrons around the globe.

凝聚态系统中不寻常拓扑体系（包括拓扑绝缘体等）的发现标志着凝聚态物理研究的划时代变革。一方面，这些特殊系统所蕴含的物理信息被认为有助于解答诸如反物质的缺失等终极的物理学疑难；另一方面，拓扑绝缘体及相关的自旋电子学知识将为下一代甚至下两代的量子计算的概念提供线索。本项目旨在利用角分辨光电子能谱仪（ARPES）研究以下的拓扑不寻常体系，以期发现新的拓扑不寻常现象，拓宽人们对凝聚态系统多样性的认识：（一）具有三维Dirac锥电子态的材料、具有体Rashba效应的系统和Weyl半金属；（二）拓扑超导体和超导的拓扑绝缘体；（三）基于拓扑绝缘体的异质结构；（四）拓扑近藤绝缘体。由于只有基于同步辐射光源的ARPES技术能够完整探测样品的动量空间，而我国配备ARPES终端的同步辐射光源尚未对用户开放，因此本申请涉及的研究将主要由国外的同步辐射光源承担，本申请的资助将主要用于我和我的小组成员的出境国际旅费。

从2006年开始，以拓扑绝缘体为代表的凝聚态系统中的不寻常拓扑体系被相继发现，并迅速成为国际上理论和应用研究的最活跃的前沿领域。这一发现既是凝聚态物理学的重大突破，也标志着材料学和电子学研究的划时代变革，随之诞生的新型材料具有无与伦比的实际应用前景。为研制真正可用的拓扑量子器件，彻底弄清这些新材料的电子学结构是一个不可或缺的前提。本项目旨在利用基于同步辐射光源的角分辨光电子能谱仪（ARPES）研究各类拓扑材料、拓扑异质结构等拓扑不寻常体系，以期发现新的拓扑不寻常现象，拓宽人们对凝聚态系统多样性的认识。..本项目执行期内，我们取得了以下几项成果：1. 我们在国际上首次利用ARPES对拓扑-热电材料SnSe和SnS开展研究，发现SnSe的近费米面价带在低温下出现带宽变窄的情况，使其价电子有效质量大幅上升，远远超过了理论预言值。这项研究成果发表于《物理学评论快报》（Physical Review Letters）。发现空穴掺杂的SnS具有和SnSe相似的能带结构，能较好地解释其高Seebeck系数的成因。这项研究成果发表于《材料化学杂志A》（Journal of Materials Chemistry A）。2. 我们利用基于同步辐射光源的ARPES和第一性原理计算手段详细研究了一种新型的拓扑半金属CaAgAs的电子学结构。这项研究成果发表于《物理学评论B》（Physical Review B）。3. 我们发展了二维材料MoSe2薄膜的一种外延生长方法，成功生长大尺度、原子级平整的MoSe2薄膜。这项研究成果发表于《纳米技术》（Nanotechnology）。4. 我们设计了一种新颖的由拓扑绝缘体薄膜和普通绝缘体薄膜相间组成的人工晶格，可以实现拓扑表面态对普通绝缘体层的有效渗透，也能自如地调节拓扑层和普通层之间的相互作用大小。这项研究成果发表于《科学进展》（Science Advances）。上述研究成果有助于进一步理解拓扑材料的生长和相互作用机理、奇异电子结构及其与热电材料的内在联系，为拓扑材料的实际应用和拓扑器件的研制起到关键性的指导作用。