HgTe拓扑量子点少电子系统电子结构性质理论研究

Topological insulator, owing to its nondissipative metallic edge states (or surface states) and potential applications in a new generation of quantum computing and spintronics devices, has become a recent hotspot in condensed matter physics. Since narrow gap semiconductor HgTe has an inverted band structure and strong spin-orbit interaction, it is an idea material to realize topological insulator phase. Compared to the bulk material, topological insulator quantum dot has larger surface-to-volume ratios, therefore it has obvious advantages on the study of topological insulator surface states. Accurate description of quantum states in topological quantum dot few electrons system will pave the way for the development of topological insulator devices application in future quantum computing and quantum information processing. The development of a theory of the topological quantum dot few electrons systems is necessary, but rarely reports. In this project, we will start from the eight band k.p model and reduce a six band effective Hamiltonian, which contains electron states, heavy hole and light hole states. Combing with configuration interaction method and this six band effective model, we will try to develop a theory of topological insulator quantum dot few electrons system. We will be careful to study the impact of the external field on the electronic structure of the HgTe topological quantum dot few electrons system. This project will have important guiding significance for deepening the understanding of the physical properties of the HgTe topological quantum dot few electrons system and for realizing the application of topological insulator quantum dot devices.

拓扑绝缘体因其具有无耗散金属边缘态或表面态，在新一代的量子计算和自旋电子学器件方面有潜在应用前景，而成为凝聚态物理领域近期研究热点。窄禁带半导体HgTe材料是反转带隙，具有很强自旋轨道耦合效应，是实现拓扑绝缘体相的理想材料。拓扑量子点与块材料相比具有更大表面积体积比，对研究拓扑绝缘体表面态有更明显优势。对拓扑量子点少电子系统量子态准确描述，将为开发拓扑绝缘体在未来量子计算和量子信息处理中的器件应用铺平道路。因此发展拓扑量子点少电子系统理论很有必要，但是相关报道却很少。本项目拟从八带k.p模型出发，约化出包括电子态和重、轻空穴态的六带有效哈密顿量，并将此六带有效哈密顿量模型和构型方法结合，发展拓扑绝缘体量子点少电子系统理论。我们将细致研究外场对HgTe拓扑量子点少电子系统电子结构影响。本项目对于深化对HgTe拓扑量子点少电子系统物理性质的理解和实现拓扑绝缘体量子点的器件应用具有重要指导意义。

拓扑绝缘体是由能带的拓扑不变量 Z2来刻画的一类材料，这类材料中的电子态具有以下奇妙的特性：（1）本征体材料内部是绝缘体；（2）反转能隙中出现无能隙的边缘态和表面态；（3）电子态的自旋和动量方向是锁定的，即螺旋性。拓扑绝缘体这种新的量子物质态被预言可以产生出许多新奇的准粒子和物理效应，如磁单极、 Majorana 费米子和量子化的反常霍尔效应等。充分利用拓扑绝缘体的表面态，有可能实现新一代的量子计算方式和自旋电子学器件。正因为拓扑绝缘体具有一系列新奇的物理性质和广泛应用前景，所以拓扑绝缘体是近两年来各国竞相研究的热点。量子点在单电子晶体管、光伏器件、光发射器件和光电探测器等电子器件上有重要应用。并且拓扑绝缘体的一维或零维结构具有高的表面-体积比，可以减少体载流子的影响，对研究拓扑绝缘体表面态更有优势，但是相关报道却比较少， 特别是在自旋电子学和量子信息上具有广泛应用前景的拓扑量子点的报道更少。HgTe/CdTe 量子阱体系成为理论上预言并成功的被实验所证实的第一个拓扑绝缘体材料。本项目即围绕着HgTe拓扑绝缘体量子点中少电子和相关物理效应等问题展开，主要研究成果有： (1) 发现了HgTe拓扑量子点的少电子填充规律和壳层结构，对于少电子系统，电子首先倾向于填充体带隙中的边缘态；这样的一个边缘态的壳层结构可以通过调节量子点尺寸或者通过外势场调节HgTe量子阱带隙而调制。 (2) 研究了其Bi2Se3核壳结构拓扑量子点光热转换响应，发现Bi2Se3拓扑量子点具有很好光热转换效率（近30%），且具有较强的光热稳定性，并解释了其光热转换的微观机制。(3)研究了InGaAs反点阵列，发现了在常规半导体InGaAs反点阵列中由规范场诱导的拓扑相。(4)另外在该项目的自助下，我们对凝聚态物理迅速发展的新型二维材料领域中新现象和新物性展开了探索性研究，比如MoS2双极晶体管谷纠缠态和自旋纠缠态、单层黒磷的朗道能级和磁输运特性、黒磷薄膜的反常磁光特性、黒磷薄膜的量子霍尔效应、黒磷薄膜中g因子的计算和InAs/GaSb双量子阱中半导体金属转变，取得了一系列重要国际前沿的研究成果。