近年来，拓扑电子态因其多种新奇效应在凝聚态物理学、量子材料科学、信息电子学及化学等多学科领域产生了广泛的影响。其特征是晶态材料的电子结构具有反常拓扑数，导致拓扑绝缘体表面态、外尔费米子和费米弧等独特的电子态，在未来低能耗电子器件中具有潜在的应用。港澳宝典资料大全港澳宝典资料大全王学锋教授课题组于2011年就开始涉足拓扑电子态的研究工作，近期在高质量拓扑狄拉克材料生长与器件研究方面取得一系列有趣的成果。
课题组最早的成果是高质量铁磁拓扑绝缘体的生长。针对目前国际上制备获得的铁磁性拓扑绝缘体居里温度较低（<30 K）和样品迁移率较低（~700 cm2/Vs）的问题，他们采用稀土离子Sm掺杂，实现了高居里温度和高迁移率共存的Bi2Se3稀磁拓扑绝缘体的制备，铁磁居里温度达到52 K，迁移率达到18000 cm2/Vs，并产生明显的Shubnikov-de Haas (SdH)振荡，见图1(a)，这为高质量铁磁拓扑器件提供了材料基础。相关成果以《High-mobility Sm-doped Bi2Se3 ferromagnetic topological insulators and the robust exchange coupling》为题发表于材料类权威杂志Advanced Materials 27, 4823 (2015)。
紧接着，课题组实现了基于拓扑绝缘体的自旋阀器件。他们采用表面态占80%、高迁移率拓扑绝缘体BiSbTeSe2纳米片，利用其优化的表面态自旋动量锁定特征，在电子束光刻制备获得的自旋阀器件中，观测到了显著的电流方向依赖的磁电阻现象，见图1(b,c)，这样通过电学手段成功切换了开关态，为今后实现全电学的自旋注入和自旋场效应晶体管打下基础，相关成果以《Unique current-direction-dependent ON-OFF switching in BiSbTeSe2 topological insulator-based spin valve transistors》为题发表于器件类权威杂志IEEE Electron Device Letters 37, 1231 (2016)。
最近，课题组还因拓扑狄拉克半金属方面的工作而获得关注。拓扑半金属因类似"三维的拓扑表面态"而被认为是拓扑态取得实际应用的突破点之一。他们生长了高质量的单晶样品ZrSiS，其晶体结构类似石墨烯的二维层状结构，见图2(a)，迁移率高达10000 cm2/Vs。当磁场增加到53 T时，ZrSiS仍具有不饱和磁电阻特性，且具有蝴蝶型磁电阻的各向异性角度依赖；ZrSiS还呈现出强烈的SdH振荡，在低温下从很低磁场就出现了量子振荡，并能清楚地鉴定出两个振荡的模式，见图2(b)。进一步从霍尔电阻和磁电阻数据拟合中分析材料各个电子态的载流子浓度，发现在1021/cm3量级的水平。这样高浓度的狄拉克载流子是以往石墨烯、拓扑绝缘体和"点"型狄拉克半金属中所不具备的，极有可能是node-line半金属的特征。
更有趣的是，该材料还存在二维的狄拉克表面态。他们利用角分辨光电子能谱（ARPES）技术观察到钻石型的费米面特征，见图2(c)；并继续通过改变入射光子的能量来测量费米面的改变，从中发现一个不随光子能量变化的小口袋。密度泛函第一性原理计算表明，这一口袋来自于单层ZrSiS的贡献，这说明ZrSiS存在准二维的结构分离和电子态。理论计算还展现了单层ZrSiS的电子结构，描述了单层结构中狄拉克电子的特征。这种同时具备体相和表面狄拉克电子态的量子材料尚属首次发现。相关成果作为内封面文章发表在Wiley旗下著名期刊Advanced Electronic Materials 2, 1600228 (2016第10期)，论文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201600228/full；并被MaterialsViews平台以《新型狄拉克半金属ZrSiS量子材料及其蝴蝶型磁电阻》为题作为亮点工作报道。
上述系列工作由港澳宝典资料大全港澳宝典资料大全王学锋教授、徐永兵教授、张荣教授团队与王欣然教授、港澳宝典资料大全物理学院宋凤麒教授、万贤纲教授、王伯根教授、上海科技大学陈宇林教授及华中科技大学夏正才教授等多个课题组共同合作完成。研究工作得到国家重大科学研究计划、国家自然科学基金和教育部新世纪优秀人才等项目的资助。
课题组最早的成果是高质量铁磁拓扑绝缘体的生长。针对目前国际上制备获得的铁磁性拓扑绝缘体居里温度较低（<30 K）和样品迁移率较低（~700 cm2/Vs）的问题，他们采用稀土离子Sm掺杂，实现了高居里温度和高迁移率共存的Bi2Se3稀磁拓扑绝缘体的制备，铁磁居里温度达到52 K，迁移率达到18000 cm2/Vs，并产生明显的Shubnikov-de Haas (SdH)振荡，见图1(a)，这为高质量铁磁拓扑器件提供了材料基础。相关成果以《High-mobility Sm-doped Bi2Se3 ferromagnetic topological insulators and the robust exchange coupling》为题发表于材料类权威杂志Advanced Materials 27, 4823 (2015)。
紧接着，课题组实现了基于拓扑绝缘体的自旋阀器件。他们采用表面态占80%、高迁移率拓扑绝缘体BiSbTeSe2纳米片，利用其优化的表面态自旋动量锁定特征，在电子束光刻制备获得的自旋阀器件中，观测到了显著的电流方向依赖的磁电阻现象，见图1(b,c)，这样通过电学手段成功切换了开关态，为今后实现全电学的自旋注入和自旋场效应晶体管打下基础，相关成果以《Unique current-direction-dependent ON-OFF switching in BiSbTeSe2 topological insulator-based spin valve transistors》为题发表于器件类权威杂志IEEE Electron Device Letters 37, 1231 (2016)。
图1 (a) Sm掺杂Bi2Se3的SdH振荡，插图是Hall器件图；(b,c) BiSbTeSe2纳米片中电流方向依赖的磁电阻，插图是自旋阀器件的原子力显微镜照片。
最近，课题组还因拓扑狄拉克半金属方面的工作而获得关注。拓扑半金属因类似"三维的拓扑表面态"而被认为是拓扑态取得实际应用的突破点之一。他们生长了高质量的单晶样品ZrSiS，其晶体结构类似石墨烯的二维层状结构，见图2(a)，迁移率高达10000 cm2/Vs。当磁场增加到53 T时，ZrSiS仍具有不饱和磁电阻特性，且具有蝴蝶型磁电阻的各向异性角度依赖；ZrSiS还呈现出强烈的SdH振荡，在低温下从很低磁场就出现了量子振荡，并能清楚地鉴定出两个振荡的模式，见图2(b)。进一步从霍尔电阻和磁电阻数据拟合中分析材料各个电子态的载流子浓度，发现在1021/cm3量级的水平。这样高浓度的狄拉克载流子是以往石墨烯、拓扑绝缘体和"点"型狄拉克半金属中所不具备的，极有可能是node-line半金属的特征。
图2 (a) ZrSiS晶体结构示意图；(b) SdH振荡，插图是蝴蝶型角度依赖磁电阻；(c) ARPES测量的钻石型费米面。
更有趣的是，该材料还存在二维的狄拉克表面态。他们利用角分辨光电子能谱（ARPES）技术观察到钻石型的费米面特征，见图2(c)；并继续通过改变入射光子的能量来测量费米面的改变，从中发现一个不随光子能量变化的小口袋。密度泛函第一性原理计算表明，这一口袋来自于单层ZrSiS的贡献，这说明ZrSiS存在准二维的结构分离和电子态。理论计算还展现了单层ZrSiS的电子结构，描述了单层结构中狄拉克电子的特征。这种同时具备体相和表面狄拉克电子态的量子材料尚属首次发现。相关成果作为内封面文章发表在Wiley旗下著名期刊Advanced Electronic Materials 2, 1600228 (2016第10期)，论文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201600228/full；并被MaterialsViews平台以《新型狄拉克半金属ZrSiS量子材料及其蝴蝶型磁电阻》为题作为亮点工作报道。
上述系列工作由港澳宝典资料大全港澳宝典资料大全王学锋教授、徐永兵教授、张荣教授团队与王欣然教授、港澳宝典资料大全物理学院宋凤麒教授、万贤纲教授、王伯根教授、上海科技大学陈宇林教授及华中科技大学夏正才教授等多个课题组共同合作完成。研究工作得到国家重大科学研究计划、国家自然科学基金和教育部新世纪优秀人才等项目的资助。
