拓扑绝缘体低维量子结构中的电子关联效应研究

Topological insulators are a new state of quantum matter induced by spin-orbit interaction. It possesses an insulating bulk and metallic surface or edge states, which is topologically protected by time-reversal symmetry. The surface or edge states display unique linear energy dispersion and spin-momentum locking features. Such features induce unusual electron transport, magnetic and optical properties on the surface of topological insulators, which may have potential applications in spintronics and quantum computing. This project will focus on Coulomb interactions effect on energy distribution, the band gap of the electronic structure, and explore how to control transport properties utilizing Coulomb interaction. We will further reveal the effect of the gating, external fields and magnetic impurity on dc and ac transport properties. The purpose of this proposal is to develop the many-body theory for surface and edge states, pave a way to discover new experimental phenomena and construct the spintronic electronic device.

拓扑绝缘体是一种由自旋轨道耦合导致的新量子物态。拓扑绝缘体的表面/边缘态展现出奇特的金属性质，这种特性受到时间反演对称性的保护。由于其独特的能带结构和自旋与动量满足的特定的手征特性，电子的输运、磁学和光学性质将明显不同于普通体系，可能在自旋电子学和量子计算领域具有广阔应用前景。本项目将针对拓扑绝缘体表面的低维体系，研究库仑相互作用对Dirac 费米子系统能级分布、带隙等电子结构的影响，探究如何利用电子间库仑相互作用来调控输运性质。并进一步揭示不同的栅控量子结构、外加电磁场、磁性杂质等因素对关联体系直流与交流输运的影响，探索和发展表面/边缘态体系中多体理论方法和手段，为发现新物理和构造新型自旋器件提供坚实的物理基础。

本项目旨在研究狄拉克电子体系的电子输运，包括磁场、杂质以及电子间相互作用对其电子结构与输运性质的调控。经过4年的研究，基本完成计划中的研究内容，达到了预期目标。总计发表论文11篇。并在第十届计算纳米科学与新能源材料国际研讨会做邀请报告。取得的成果概述如下： 我们研究了不同构型磁垒、单势垒、应力、杂质的存在对纳米结构体系能谱、输运性质的影响。使用玻色化以及格林函数的方法从理论上研究了两个含时杂质对拓扑边缘态输运性质的影响，得到隧穿电流和泵浦电流随偏压和温度变化的解析表达式，以及它们依赖电子间相互作用的幂指数变化规律。这些独特的性质是由边缘态的螺旋特性引起的，因此可以用来检测和控制边缘态输运。本项目选取狄拉克电子体系输运性质为主要研究对象，具有理论和应用上的重要意义，我们将继续开展深入细致的后续研究工作，寻找调控输运特性的方案，并为新的实验发现或器件提供物理基础。