拓扑绝缘体-薛其坤学术报告
薛其坤：攻克量子世界制高点
薛其坤：攻克量子世界制高点作者：暂无来源：《发明与创新·大科技》 2013年第6期黄昉苨尽管“贵”为清华大学物理系主任，在两个月前的清华校园，薛其坤还不是一个多么引人注意的角色。
不止一个见过他的人表示，几乎听不懂这位中科院院士与别人随口说起的科研内容。
而事实上，他即将开启一个全新的时代。
4月9日，由他领导的来自清华大学、中国科学院物理所与斯坦福大学的科学家们组成的团队宣布，他们从实验中观测到了量子反常霍尔效应。
而这一发现甚至令年过九旬的诺奖得主杨振宁都激动了：“这是一个诺贝尔奖级的成果。
”对普通人而言，“量子反常霍尔效应”不仅是一个让人云里雾里的科学名词，还意味着某种科幻般的未来生活：若这项发现能投入应用，超级计算机将有可能成为iPad大小的掌上笔记本，智能手机内存也许会超过目前最先进产品的上千倍，除了超长待机时间，还将拥有当代人无法想象的快速。
薛其坤团队的最新发现，在科学家眼中是一个极为美妙的现象。
在摆满仪器设备的实验室，清华大学物理系教授王亚愚试图通过一种通俗易懂的方式向外界解释他们的研究。
他手持的笔记本电脑屏幕上播放着动画：一个透明的长方体物件内，许多玫红色小颗粒正在横冲直撞。
“如果这是一个一般的金属材料或者半导体材料，那里面的电子运动是非常无序的。
它们杂乱无章，互相碰撞，这就引起电子器件的速度降低，而且会使能耗增大。
”譬如，尽管有风扇“呼啦呼啦”地吹，工作多时的笔记本电脑却还是热得烫手，反应缓慢得像老牛爬坡。
但这些粒子可以被科学家们“管”起来，顺着一定规律在材料内老老实实地“排队跑步”。
“如果我们在材料上加一个非常强的磁场，电子运动就变得有规律了——它们在材料的两端，像高速公路上的汽车一样，这么反向运动，这时候，电子运动速度就变快了。
”王亚愚解释说。
在上世纪80年代，这种量子霍尔效应被德国物理学家冯·克利青在研究极低温度和强磁场中的半导体时偶然发现。
这一成果让他获得了1985年的诺贝尔物理学奖。
拓扑绝缘体是关键
拓扑绝缘体是关键
方晨;唐云江
【期刊名称】《科学世界》
【年(卷),期】2013(000)006
【摘要】量子反常霍尔效应是由清华大学薛其坤院士带领的由清华大学、中科院物理所和美国斯坦福大学等单位组成的研究团队发现的。
我们拜访了薛其坤院士，请他来讲讲什么是量子反常霍尔效应，以及他们是如何发现这个现象的。
【总页数】3页(P11-13)
【作者】方晨;唐云江
【作者单位】不详
【正文语种】中文
【中图分类】O189
【相关文献】
1.拓扑绝缘体中的拓扑不变量及其数值计算
2.高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体简介
3.强三维拓扑绝缘体与磁性拓扑绝缘体的角分辨光电子能谱学研究进展
4.高性能太赫兹发射:从拓扑绝缘体到拓扑自旋电子
5.本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4电子结构的压力应变调控
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获颁巴克利奖的中国科学院院士薛其坤
获颁巴克利奖的中国科学院院士薛其坤获得求是杰出科学家奖；2016年获得未来科学大奖物质科学奖；2017年被评为2016年度最具影响力的十大“科技创新人物”；2017年任北京量子信息科学研究院院长；2019年入选“中国海归70年70人”榜单；2020年获得菲列兹·伦敦奖、北京市突出贡献中关村奖、复旦—中植科学奖。
接受媒体采访时,薛其坤自喻为“一艘从沂蒙山区驶出的小船”。
作为山大校友,他还常常是“山大故事”的主角。
薛其坤院士的主要研究项目等国家级和省部级重点项目14项。
获国家科技进步奖二等奖2项、省部级科技进步一等奖5项等荣誉。
获国家发明专利侯凡凡谦逊地说：“中国慢性肾脏病患者数约为1.3亿，肾脏病人数在全球位居前列。
我定当全力以赴，为降低肾脏而拼搏！”方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和低维超导电性以及各种表面分析手段研究各属、半导体表面晶体结构、化学性质、异/同质结薄膜外延和低维纳米结构的生长动力学和控制。
研究兴趣包括稀磁半导体的分子束外延生长和自旋注入、低维纳米结构的磁性和在自旋电子学中的应用、量子效应对低维纳米结构电子性质的影响（比如催化）等。
截至2011年，薛其坤获国家自然科学二等奖、北京市科学技术一※文/卞文志21演讲等奖和中国青年科技奖等奖项。
2012年12月，薛其坤团队在真实材料中发现了量子反常霍尔效应。
这是新中国成立以来由我国科学家发现的重要科学效应之一。
若这项发现能投入应用，超级计算机将有可能成为iPad大小的掌上笔记本，手机和电脑的内存也许会超过目前最先进产品的上千倍，可以几个月不充电，且使用中不会发热，不会速度变慢。
这项研究成果为未来信息技术革命提供了全新的原理，使我们能做出低能耗晶体管和电子元器件，还可以用它和超导一起去做量子计算机，科幻电影中的强人工智能就可能真正地在现实生活中实现。
2013年，薛其坤带领他的研究团队，在国际上首次实现了“量子反常霍尔效应”。
拓扑绝缘体简介2
2013-12-3 08:55 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦|关键词:量子自旋霍尔效应时间反演 拓扑31.拓扑绝缘体（续）（系列完结篇）上节中介绍的石墨烯，由于它独特的物理性质而引起了人们的兴趣。
它的无质量的相对论性准粒子，被观察到的整数及分数量子霍尔效应，为基础物理研究的许多方面，提供了理论模型和实验依据。
它优异的电子输运性质，又使其在自旋电子学等工程领域可能得到广泛的实际应用。
图31.1列出了石墨烯及量子霍尔态等几种物态在费米能级附近的能带图。
从图31.1中的（a）和（b），我们可以看到双层和单层碳原子结构能带形状的不同。
前者是抛物线型接触，而后者是线性的。
（必须提醒注意的是，我们所说的这两种石墨烯能带图都是指在二维空间中能无限延伸的理想晶体之能带图。
）那么，量子霍尔态的能带形状又如何呢？图31.1：两种石墨烯及量子霍尔态等能带图之比较图31.1c是量子霍尔态的能带示意图。
它的导带及价带在费米能级附近的形状，接近抛物线，类似于普通绝缘体。
但是，我们在上一节中也说过，量子霍尔态体内虽然是绝缘体，但它们由于边缘态的存在而导电。
在图中，量子霍尔态的边缘态是一条连接导带和价带的直线。
因此，量子霍尔态在低能态附近的行为，和石墨烯相仿，能量和动量的关系也是线性的，也存在无质量的相对论性准粒子。
因为量子霍尔态的实现需要强大的外磁场，由此人们将兴趣转向不需要磁场的量子自旋霍尔效应，并且在实验室里已经多次观察到了此种现象。
对量子自旋霍尔态而言，不同的自旋有不同的边界态，因此，拓扑绝缘体简介在图31.1d所示的自旋霍尔态能带图中，有两条直线连接导带和价带，它们分别对应于自旋上和自旋下的边缘电流。
这种情形下的能带图，看起来与理想石墨烯的能带图更为类似了。
普通的绝缘体，也可能产生边缘态而形成边缘导电，但却和前面两种情形下的边缘态有本质的区别。
图31.1e画出了普通绝缘体的能带。
图中的边缘态曲线与费米能级相交，意味着在此绝缘体中可以存在边缘电流。
拓扑绝缘体简介
拓扑绝缘体简介作者：吕衍凤， 陈曦， 薛其坤， Lü Yanfeng， Chen Xi， Xue Qikun作者单位：低维量子物理国家重点实验室,清华大学物理系,北京100084刊名：物理与工程英文刊名：Physics and Engineering年，卷(期)：2012,22(1)参考文献(22条)1.E.H.Hall查看详情[外文期刊] 18792.K.v.Klitzing;G.Dorda;M.Pepper查看详情[外文期刊] 19803.D.J.Thouless;M.Kohmoto;M.P.Nightingale;M.den Nijs查看详情[外文期刊] 19824.M.Z.Hasan;C.L.Kane查看详情 20105.X.-L.Qi;S.-C.Zhang查看详情 20106.C.L.Kane;E.J.Mele查看详情[外文期刊] 20057.B.A.Bernevig;T.L.Hughes;S.-C.Zhang Quantum spin Hall effect and topological phase transition in HgTe quantum wells[外文期刊] 2006(5806)8.M.K(o)nig;S.Wiedmann;C.Brune;A.Roth,H.Buhmann,L.W.Molenkamp,X.-L.Qi,S.-C.Zhang Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells[外文期刊] 2007(5851)9.L.Fu;C.L.Kane;E.J.Mele查看详情[外文期刊] 200710.D.Hsieh;D.Qian;L.Wray;Y.Xia,Y.S.Hor,R.J.Cava,M.Z.Hasan A topological Dirac insulator in a quantum spin Hall phase.[外文期刊] 2008(7190)11.D.Hsieh;Y.Xia;L.Wray;D.Qian,A.Pal,J.H.Dil,J.Osterwalder,F.Meier,G.Bihlmayer,C.L.Kane,Y.S.Hor,R.J.Cav a,M.Z.Hasan查看详情 200912.H.J.Zhang;C.X.Liu;X.L.Qi;X.Dai,Z.Fang,S.-C.Zhang查看详情 200913.Y.Xia;D.Qian;D.Hsieh;L.Wray,A.Pal,H.Lin,A.Bansil,D.Grauer,Y.S.Hor,R.J.Cava,M.Z.Hasan查看详情[外文期刊] 200914.J.Moore查看详情 200915.Y.L.Chen;J.G.Analytis;J.-H.Chu;Z.K.Liu,S.-K.Mo,X.L.Qi,H.J.Zhang,D.H.Lu,X.Dai,Z.Fang,S.C.Zhang,I.R.Fisher,Z.Hussain and Z.X.Shen查看详情 2009 16.Y.Y.Li;G.Wang;X.G.Zhu;M.H.Liu,C.Ye,X.Chen,Y.Y.Wang,K.He,L.L.Wang,X.C.Ma,H.J.Zhang,X.Dai,Z.Fang,X.C.X ie,Y.Liu,X.L.Qi,J.F.Jia,S.C.Zhang and Q.K.Xue查看详情 201017.T.Zhang;P.Cheng;X.Chen;J.F.Jia,X.C.Ma,K.He,L.L.Wang,H.J.Zhang,X.Dai,Z.Fang,X.C.Xie and Q.K.Xue查看详情 200918.P.Cheng;C.L.Song;T.Zhang;Y.Y.Zhang,Y.L.Wang,J.F.Jia,J.Wang,Y.Y.Wang,B.F.Zhu,X.Chen,K.He,L.L.Wang,X.D ai,Z.Fang,X.C.Xie,X.L.Qi,C.X.Liu,S.C.Zhang and Q.K.Xue查看详情[外文期刊] 201019.R.Yu;W.Zhang;H.J.Zhang;S.C.Zhang,X.Dai Z.Fang查看详情[外文期刊] 2010regime[外文期刊] 2008(1)21.L.Fu;C.L.Kane查看详情[外文期刊] 200922.J.C.Y.Teo;C.L.Kane查看详情[外文期刊] 2009引用本文格式：吕衍凤.陈曦.薛其坤.Lü Yanfeng.Chen Xi.Xue Qikun拓扑绝缘体简介[期刊论文]-物理与工程2012(1)。
拓扑物态研究的现状与趋势
拓扑物态研究的现状与趋势吴根;王兵;陈卓敏;杨涛【期刊名称】《科技中国》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P10-14)【作者】吴根;王兵;陈卓敏;杨涛【作者单位】科技部高技术研究发展中心;西安交通大学;复旦大学;西北大学【正文语种】中文拓扑物态的发现对整个物理学的发展产生了深远的影响。
这些全新拓扑物性的出现有望彻底颠覆现有的电子、信息与半导体技术，从而推动整个社会跨越式进步。
本报告在对拓扑物态领域国内外研究动态以及我国发展现状分析的基础上，总结了拓扑物态研究中形成的高效研究模式，并对如何强化和发展这种研究模式提出思考。
一、关于拓扑物态1. 定义与内涵拓扑物态是由量子效应导致的与某些拓扑性质相联系的新物态。
拓扑物态是物理学角度的物态分类中的一种，是指具有一定拓扑特性的物质状态会因其拓扑特性而呈现出特殊的，甚至是全新的物理性质，是拓扑学概念在物理系统中的体现。
凝聚态物理的主要研究内容就是发现并描述新物态，研究其相变的过程、现象和规律。
物质的状态丰富多彩，如何分类并正确描述，是核心的科学问题。
在拓扑物态被发现前，科学家们认为几乎所有的物态都可以用“对称性”和某种“局域序参量”来描写，而物态转变（相变）的过程都伴随着“对称性破缺”，这种观点延续了半个多世纪。
拓扑物态的发现（特别是量子霍尔效应的发现）彻底颠覆了这种观点。
有一大类全新的物态——拓扑物态，不能仅用对称性的观点描述，其相变过程也没有必要伴随对称性的破缺。
要正确描述这类物态，必须用到数学中“拓扑”“拓扑不变量”及“拓扑类”的概念。
这为我们认识物质世界提供了一个全新的视角。
2.研究拓扑物态的意义拓扑物态研究是近10年来凝聚态物理领域内最为重要和快速发展的前沿热点之一，其影响力已从凝聚态物理研究辐射到整个物理学，乃至化学、材料学、信息学、生物学、电子技术、半导体技术、能源技术等广阔的领域。
拓扑物态的出现给我们带来了全新的丰富拓扑物性，例如：拓扑边界态、手征对称性、无耗散、非定域响应、拓扑保护等等，有些特性是在以前的凝聚态物理研究中从未遇到的。
物理学本科毕业论文
物理学本科毕业论文自19世纪启蒙运动以来,严格的社会科学理论才真正建立。
但是社会科学的萌芽,诞生的过程与发展的脉络却可以遍及人类文明的整个历程,尤其是与相对其他学科而言建立最早,发展最完善的学科——物理学。
下面是店铺为大家推荐的物理学本科毕业论文，欢迎浏览。
物理学本科毕业论文篇一摘要：论述了X射线的发现，不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响20世纪许多重大发现;半导体的发明，使微电子产业称雄20世纪，并促进信息技术的高速发展，物理学是计算机硬件的基础;原子能理论的提出，使原子能逐步取代石化能源，给人类提供巨大的清洁能源;激光理论的提出及激光器的发明，使激光在工农业生产、医疗、通信、军事上得到广泛应用;蓝光LED的发明，将点亮整个21世纪。
事实告诉我们，是物理学推动科技创新，由此得出结论：物理学是科技创新的源泉。
昭示人们，高校作为培养人才的场所，理工科要重视大学物理课程。
关键词：X射线;半导体;原子能;激光;蓝光LED;科技创新;大学物理1引言物理学是一门研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用以及最一般的运动规律的科学[1-3]，其内容广博、精深，研究方法多样、巧妙，被视为一切自然科学的基础。
纵观物理学发展历史可以发现：其蕴含的科学思维和科学方法能够有效促进学生能力的培养和知识的形成，同时，其每一次新的发现都会带动人类社会的科技创新和科技发展。
正因如此，大学物理成为了高等学校理、工科专业必修的一门基础课程。
按照教育部颁发的相关文件要求[4-5]，大学物理课程最低学时数为126学时，其中理科、师范类非物理专业不少于144学时;大学物理实验最低学时数为54学时，其中工科、师范类非物理专业不少于64学时。
然而调查显示，众多高校(尤其是新建本科院校)并没有严格按照教育部颁发的课程基本要求开设大学物理及其实验课程。
他们往往打着“宽口径、应用型”的晃子，大幅压缩大学物理和大学物理实验课程的学时，如今，大学物理及其实验课程的总学时数实际仅为32-96学时，远远低于教育部要求的最低标准(180学时)。
拓扑绝缘体及其前景
拓扑绝缘体及其前景作者：王鑫来源：《新教育时代·学生版》2016年第06期摘要：拓扑绝缘体是当前凝聚态物理和材料科学研究的热门课题，其独特的电子态结构使其在自旋电子器件和量子计算机等领域拥有巨大的应用潜力。
拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，完全不同于传统意义上的金属和绝缘体，其体电子态是有能隙的绝缘态，表面态则是无能隙的金属态。
由于强自旋轨道耦合作用，表面态受到体能带结构的时间反演对称保护，不易受到体系中缺陷和杂质的影响。
阐述了反常霍尔效应、量子霍尔效应、三维拓扑绝缘体，同时总结和展望了其发展前景。
关键词：反常霍尔效应表面电子态拓扑绝缘体材料根据不同电子态的拓扑性质可以区分为“绝缘体”和“金属”。
拓扑绝缘体不同于一般的绝缘体，是物质的一种新的量子物质态，电子态是有能隙的绝缘体态，其表面是无间隙的金属态。
拓扑绝缘体的内部是绝缘的，但总有其边界或表面边缘状态的传导。
拓扑绝缘体这个特殊的电子结构，是通过能带结构的特殊拓扑性质决定的。
绝缘态是电子态的一种状态，但在表面具有导电通道且与自旋相关，这意味着该拓扑绝缘体在自旋电子学方面具有潜在的前景。
一、拓扑能带理论绝缘态是物质最基本的状态，原子绝缘体是最简单的绝缘体，在原子密闭的壳体内电子被困住。
这样的材料的电子是惰性的，因为它需要能量来使电子转移，在晶体的相互影响下产生共价键。
能带理论利用了晶体的平移对称性，在绝缘态中，有一个能隙将导带和价带完全隔开。
可以想象优化哈密顿，使它在没有靠拢能隙的情况下，插入两者之间。
这样一个过程定义了一个拓扑平衡之间不同的绝缘状态。
量子霍尔效应是霍尔效应的量子对应，是整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的统称。
如果磁场足够强，温度足够低时，材料内的电子被局域化为朗道的离散能级，形成绝缘的完整状态。
此时，材料边界仍可以导电，形成无“背向散射”的导电通道，从而导致量子霍尔效应的出现。
二、量子自旋霍尔绝缘体金属磁性材料中零磁场的霍尔效应称为反常的霍尔效应。
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薛其坤
清华大学物理系
拓扑绝缘体：一种新的量子材料MBE Growth and STM/ARPES Study
OUTLINE 1.拓扑绝缘体简介
Info highway for chips in the future
Conductor Insulator
材料的分类: 能带理论
(固体物理的能带论)
g=1g=2g=3g=0
Valence Band
Conduction Band
Valence Band
Conduction Band
Spin up
Spin down
K
2“band twisting”
Strong spin ‐orbit
coupling
Conductor
Insulator
Topological Insulator
Insulating (bulk)
conducting (surface)
Spin-Orbital Coupling
材料的分类(新): 拓扑能带理论
g=1g=2g=3
g=0
E∝K
pc
E =Massless Dirac Fermions
Effective speed of light v F ~ c /300.
k x
k y
E g
Paradox
without mass ，，•psudo ‐spin
•Klein Paradox •Linear n~E ，Linear σ~E ，Linear m~E •Localization ？•Universal σ？
Spin=1/2
+
−
狭义相对论预期了“自旋轨道耦合”
Helical Spin Structure
Fermions
Four seasons in a day
One night in a year
k
E
Momentum Space
Info
in the future Spintronics?
前沿科学研究
量子反常霍尔效应/自旋霍尔效应磁单极
Majorana 费米子
分数量子统计(Anyon)
拓扑磁性绝缘体Axion 研究……
Dark matter on your desktop?
Wilczek, Nature 458, 129 (2009)
物质≠反物质(CP 不对称)
暗物质(轴子)
标准模型
磁单极(磁荷)
±
e iθ(anyon)
电荷＋磁荷＝任意子(anyon)
Majorana费米子
量子计算：
满足非阿贝尔统计的拓扑准粒子进行位置交换操作
拓扑绝缘体
Zhang et al., Nat. Phys. 5, 438 (2009)
Strong 3D Topological Insulators
Xia et al., Nat. Phys. 5, 398 (2009)
Sb 2Te 3
Bi 2Te 3
Bi 2Se 3
Bi 2Se 3
Δ=0.36eV
Bi2Te3
Fisher (Stanford)
Dirac
Cone
Nat. Phys. 2009
Bulk Insulating Material difficult Thin Films by MBE and MOCVD?
Si, GaAs, Sapphire…
OUTLINE
2.拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长(MBE)及电子结构(Bi
Te3/Bi2Se3/Sb2Te3)
2
扫描隧道显微镜：
由瑞士科学家Binnig和Rohrer博士于1981年发明
人类首次：
9“看到”单个原子、分子
9“操纵”单个原子、分子1986年诺贝尔物理学奖
Fe
tip
sample
A
Ga
As4
Se4
MBE
STM
cryostat
20ML Pb Thin Films
•STM/STS: 4K •ARPES: 1meV •RHEED •5x10‐11Torr
MBE ‐STM ‐角分辨光电子能谱System
STM
MBE
ARPES
Photon energy: 21.2eV(HeI) Energy resolution: 10 meV Angular resolution: 0.2°T=77 K
Experimental parameters
Si wafer
Real ‐Time Electron Diffraction
强度振荡
T Bi >>T Si >T Se(Te)
Se (Te )‐rich
(Se 2/Bi>20)
反射式高能电子衍射
E
E F
0.0
0.1
0.2
Bi Te “intrinsic”
Conduction Band
Valence Band
E F
23 200 nm x 200 nm
Bi2Se3on graphene on SiC
‐120mV 50 QL
OUTLINE
3.扫描隧道显微镜(STM) 研究
拓扑绝缘体的基本性质
TI Vaccum Normal insulator
Boundary
Band Cutting
Topological insulator
p c H mc p c H G
G G G •=+•=σβ
α2
(m=0)
•Massless 2D Dirac Equation
•Boundary /Surface •Time Reversal Symmetry
Moore, Nature 2010
Conductor
Insulator
Topological Insulator
Insulating (bulk)
conducting (surface)
Spin-Orbital Coupling
材料的分类(新): 拓扑能带理论
n-doped Geometry of Ag defects
V=400mV V=150mV V=100mV V=50mV
V=200mV
V=300mV Surface nature of topological states!
电子受到Ag 杂质散射导致的表面驻波
FFT
V=400mV
V=150mV
V=100mV
V=50mV
V=200mV
V=300mV
dI/dV mappings
M
K
SBZ
Г
400 mV
100 mV 50 mV
150 mV 300 mV 200 mV
M
K
K ‐space
Only Γ‐Μdirection
Γ
入射电子
反射电子
Zhang et al., PRL 103, 266803 (2009)
Info highway for chips in the future。