清華消息網3月31日電 清華大學物理系段文暉傳授課題組與美國麻省理工學院的傅亮教授、Jagadeesh Moodera教授等協作，聯合能帶構造盤算低能有效實踐（k·p模型）跟拓撲能帶剖析等研究方式，在拓撲晶體絕緣體（topological crystalline insulator）薄膜研究中取得了打破性進展。日前在《天然 資料》(Nature Materials)上發表了題為Spin-filtered edge states with an electrically tunable gap in a two-dimensional topological crystalline insulator（二維拓撲晶體絕緣體中存在電場可調能隙且自旋過濾特征的拓撲邊沿態）的研究論文。清華大學物理系博士生劉軍偉為論文第一作者，美國麻省理工學院傅亮教學為論文通信作者。

供稿：物理系 學生編纂：長松

左圖為二維拓撲晶體絕緣體受鏡面對稱性保護的拓撲邊緣態。右圖為可以通過外加電場，翻開邊緣態的能隙，從而實現電場調控的拓撲邊緣態，為實現拓撲晶體管供給了物理基本。

　　該研究工作得到了國度做作迷信基金和科技部973項目標贊助。

　　段文暉教授研究組與美國麻省理工學院傅亮教授等合作，首先將三維拓撲晶體絕緣體的概念推廣到二維，提出了由鏡面對稱性保護的二維絕緣體的新型拓撲相，并證實這種新型的拓撲相可以在SnTe和Pbx Sn(1-x) Se(Te)（001）薄膜中實現。這種新型的拓撲材料，其體能帶（bulk bands）擁有能隙,管理寶典，然而在邊緣上存在由（001）鏡面對稱性保護的具有自旋過濾(spin-filter)性質的邊緣態(edge states)。更為重要的是，通過垂直于薄膜的電場，就可以損壞系統的鏡面對稱性，從而在邊緣態上發生一個電場調控的能隙(electrically tunable gap)。應用這種奇怪的特性，此研究提出了一種新型晶體管，稱之為拓撲晶體管(topological transistor)。在這種晶體管中，電荷輸運（charge transport）和自旋輸運（spin transport）極大地糾纏在一起，并且可以被外加電場同時調控。因為拓撲晶體管的工作原理與傳統晶體管的實現原理完全不同，其開/關狀況并不須要實現n型電子和p型電子的復合，因此可以在拓撲晶體管中實現很高的開關速度(on/off speed)，同時具備很小的能耗。

　　三維拓撲晶體絕緣體是完整不同于拓撲絕緣體(topological insulator)的一種新型拓撲材料，其拓撲性質受到晶格對稱性(crystal symmetry)而非時光反演對稱性(time-reversal symmetry)掩護。最近由理論猜測能夠在SnTe類的四六族半導體中實現由鏡面對稱性(mirror symmetry)維護的拓撲晶體絕緣體，并很快得到了美國、日本、瑞典和中國等不同地域的獨破試驗組的驗證，進而成為凝集態物理范疇一個很主要的研究的方向。

清華物理系與麻省理工配合在拓撲晶體絕緣體薄膜研討中獲得沖破性進展

圖為拓撲晶體管的原理示用意。

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