拓扑绝缘体-薛其坤学术报告

河南师范大学，河南师范大学，2012年年05月月11日日 薛其坤 清华大学物理系 薛其坤 清华大学物理系 拓扑绝缘体：一种新的量子材料拓扑绝缘体：一种新的量子材料 MBE Growth and STM/ARPES Study 研 究 生研 究 生:李耀义 王广 张童 张翼 宋灿立 程鹏 朱燮刚 常翠祖 王以林 蒋烨平 文竞 毛寒青 李志 张文号 李渭 李耀义 王广 张童 张翼 宋灿立 程鹏 朱燮刚 常翠祖 王以林 蒋烨平 文竞 毛寒青 李志 张文号 李渭 致谢致谢 方忠 戴希 谢心澄方忠 戴希 谢心澄 (物理研究所/北京大学)(物理研究所/北京大学) 张首晟祁晓亮张首晟祁晓亮(斯坦福大学/清华大学)(斯坦福大学/清华大学) 沈顺清沈顺清 (香港大学)(香港大学) 张绳百张绳百 (伦斯勒理工学院)(伦斯勒理工学院) 牛谦牛谦 (德州大学奥斯汀分校/北京大学)(德州大学奥斯汀分校/北京大学) 刘荧刘荧 (宾州大学) (宾州大学) 刘朝星刘朝星 (乌兹堡大学)(乌兹堡大学) 王亚愚朱邦芬王亚愚朱邦芬(清华大学) 清华大学 (清华大学) 清华大学:陈曦 贾金锋陈曦 贾金锋（上海交大） 物 理 所 （上海交大） 物 理 所:马旭村 何柯 王立莉马旭村 何柯 王立莉 合作者:合作者: 科技部、基金委科技部、基金委 OUTLINE 1. 拓扑绝缘体简介拓扑绝缘体简介 2. 拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长(MBE) 及电子结构及电子结构 (Bi2Te3/Bi2Se3/Sb2Te3) 3. 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 (STM) 研究研究 4. 最新进展最新进展 5. 展望展望 Can Moores law keep going? 0 100 200 300 400 500 0.50.350.250.180.130.10.070.05 Active Power Passive Power (Device Leakage) 3502501801301007050 500 500 400 300 200 100 0 Technology node (nm) Power density (W/cm ) 2 Power dissipation=greatest obstacle for Moores law! Modern processor chips consume 100W of power of which about 20% is wasted in leakage through the transistor gates. The traditional means of coping with increased power per generation has been to scale down the operating voltage of the chip but voltages are reaching limits due to thermal fluctuation effects. Traffic jam inside chips today 微电子学、集成电路发展的瓶颈微电子学、集成电路发展的瓶颈 电子运动过程中受到的散射：电子运动过程中受到的散射： 芯片发热、速度慢芯片发热、速度慢 Info highway for chips in the future 未来信息高速公路未来信息高速公路 自从近100年前超导量子态被发现以来 的一种新的量子态 自从近100年前超导量子态被发现以来 的一种新的量子态 拓扑量子态拓扑量子态 （拓扑绝缘体）（拓扑绝缘体） ConductorInsulator 材料的分类: 能带理论材料的分类: 能带理论 (固体物理的能带论固体物理的能带论) Topology (拓扑学拓扑学) 拓扑学是近代发展起来的一个研究连续性现象的数学分支。拓扑学主要研究几何图形在连续变换下的不变性质和不变量。 g=0g=1 food tool g=1g=2g=3g=0 自由电子自由电子(m, e)：E=1/2 mV2 固体材料中的电子固体材料中的电子(e, m#)： 近自由电子近似：近自由电子近似：E=(K)2/2m# E K2 抛物线型的 能量色散关系 抛物线型的 能量色散关系 Valence Band Conduction Band Valence Band Conduction Band 一般绝缘体一般绝缘体 Spin up Spin down EK2 拓扑绝缘体拓扑绝缘体 圆锥形圆锥形 “band twisting” Strong spinorbit coupling Conductor Insulator Topological Insulator Insulating (bulk) conducting (surface) Spin-Orbital Coupling 材料的分类(新): 拓扑能带理论材料的分类(新): 拓扑能带理论 g=1g=2g=3g=0 对拓扑绝缘体来讲，其性质与其能带拓扑结构有 关，与具体细节无关。 对拓扑绝缘体来讲，其性质与其能带拓扑结构有 关，与具体细节无关。 EK 的意义？ 光： 的意义？ 光：Ecp (p=k) 无质量的狄拉克费米子无质量的狄拉克费米子 Graphene : Dirac Fermions in 2D pcE = 石墨烯的电子结构石墨烯的电子结构 Massless Dirac Fermions Effective speed of lightvF c /300. pcE= F kvE?= kx ky Energy Eg Semiconductor Band Structure * 22 2m k E ? = 二维无质量的狄拉克费米体系！二维无质量的狄拉克费米体系！ GrapheneTI Graphene Klein Paradox 2DEG without mass Linear nE， LinearE， Linear mE psudospin Klein Paradox Linear nE， LinearE， Linear mE Localization？ Universal ？ Two inequivalent massless Dirac points for each spin orientation, in total four copies of massless Dirac fermions Odd number of massless Dirac fermions K K Spin=1/2 + E ? 量子力学预期了“自旋”狭义相对论预期了“自旋轨道耦合”量子力学预期了“自旋”狭义相对论预期了“自旋轨道耦合” 量子力学和狭义相对论量子力学和狭义相对论 Helical Spin Structure of 2D Massless Dirac Fermions Four seasons in a day One night in a year kx ky E Qi and Zhang, Phys. Today (2010) Hasan and Kane, Rev. Mod. Phys. (2010) Moore, Nature 464, 194 (2010) Momentum Space Info highway for chips in the future Real Space Spintronics? 1. 未来的应用1. 未来的应用 低能耗和高速晶体管 自旋电子学器件 拓扑量子计算 基于拓扑磁电效应的磁存储器件 热电效应、催化与能源技术 多铁性质与应用探索 光学响应及非线性光学 低能耗和高速晶体管 自旋电子学器件 拓扑量子计算 基于拓扑磁电效应的磁存储器件 热电效应、催化与能源技术 多铁性质与应用探索 光学响应及非线性光学 后摩尔时代的信息技术？后摩尔时代的信息技术？ 前沿科学研究前沿科学研究 量子反常霍尔效应/自旋霍尔效应 磁单极 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 费米子 分数量子统计(Anyon) 拓扑磁性绝缘体拓扑磁性绝缘体Axion研究研究 Dark matter on your desktop? Wilczek, Nature 458, 129 (2009) 物质反物质物质反物质 (CP不对称不对称) 暗物质暗物质 (轴子)(轴子) 标准模型标准模型 张首晟、祁晓亮等张首晟、祁晓亮等Science 323, 1184 (2009) 磁单极磁单极(磁荷磁荷) |12 = |21 |12 = ei |21 整数量子统计 分数量子统计 整数量子统计 分数量子统计(anyon) 电荷磁荷任意子电荷磁荷任意子(anyon) Majorana费米子费米子 费米子：粒子反粒子费米子：粒子反粒子 Ettore Majorana 1937年提出年提出 量子计算：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 满足非阿贝尔统计的拓扑准 粒子进行位置交换操作 2D TI: 自旋量子霍尔效应自旋量子霍尔效应in HgTe QW (张首晟张首晟 Science 2006; Molenkamp Science 2007) 5 . 15 . 2 5. 3 5 . 45 . 5 5. 6 5 . 75 . 8 5. 9 6 . 06 . 1 6. 2 6 . 36 . 4 6. 5 6 . 6 1 . 0 1 . 5 0 . 5 0 . 0 - 0 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 3 . 5 4 . 0 4 . 5 5 . 0 6 . 0 5 . 5 ( a t r oo m t e m p er a t u r e i n z i n c b l e nd e s t r u ct u r e ) a d ga p e eg y ( eV ) l a t ti c e c o n st a n t a 臸 臸0 正常绝缘体正常绝缘体 5 . 15 . 2 5. 3 5 . 45 . 5 5. 6 5 . 75 . 8 5. 9 6 . 06 . 1 6. 2 6 . 36 . 4 6. 5 6 . 6 1 . 0 1 . 5 0 . 5 0 . 0 - 0 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 3 . 5 4 . 0 4 . 5 5 . 0 6 . 0 5 . 5 ( a t r oo m t e m p er a t u r e i n z i n c b l e nd e s t r u ct u r e ) a d ga p e eg y ( eV ) l a t ti c e c o n st a n t a 臸 臸0 拓扑绝缘体拓扑绝缘体 Science杂志：杂志：2007年十大科学进展年十大科学进展 Zhang et al., Nat. Phys. 5, 438 (2009) Strong 3D Topological Insulators Xia et al., Nat. Phys. 5, 398 (2009) Sb2Te3Bi2Te3 Bi2Se3 Bi2Se3 =0.36eV Defects: Interstitial impurities Substitutional impurities Se/Bi vacancies Bi2Se3 (Bi2Te3 /Sb2Te3) Single crystals 1QL TopView 4.38 Se Bi Se Bi Se Se Bi Se Bi Se SideView 1.0nm Se(111) surface cleaving (stoichiometric) Science 2009 Novel Electronic Structure of 3D TI Bi2Te3 Fisher (Stanford) Bi2Se3 Cava (Princeton) Dirac Cone Nat. Phys. 2009 Shen (Stanford)Hasan (Princeton) Bulk is n-type conductor Valence Band Conduction Band EF GaN: p-doping GaN/ZnO:high background carrier density (N-type) Amano et al.,JJAP 28, L2112 (1989) Nakamura et al., APL 64, 1687(1994) ZnO: bulk insulating? N2O2Se2(4) GaZnBi High Vapor Pressure OO: 142 kJ/mol NN: 167 kJ/mol SeSe: 172 kJ/mol Bi2Se3: bulk insulating? Valence Band O, Se vacancies Conduction Band EF (2) Bulk Insulating Material difficult (1) Selfflux Method for Crystal Growth Si, GaAs, Sapphire Thin Films by MBE and MOCVD? OUTLINE 1. 拓扑绝缘体简介拓扑绝缘体简介 2. 拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长(MBE) 及电子结构及电子结构 (Bi2Te3/Bi2Se3/Sb2Te3) 3. 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 (STM) 研究研究 4. 最新进展最新进展 5. 展望展望 人类首次：人类首次： ?“看到看到”单个原子、分子单个原子、分子 ?“操纵操纵”单个原子、分子单个原子、分子 1986年诺贝尔物理学奖1986年诺贝尔物理学奖 扫描隧道显微镜：扫描隧道显微镜： 由瑞士科学家由瑞士科学家Binnig和和Rohrer博士于博士于1981年发明年发明 MBESTM (Molecular Beam EpitaxyScanning Tunneling Microscope) (分子束外延扫描隧道显微镜分子束外延扫描隧道显微镜) Ga As4Se4 Fe tip sample A A MBE + LTSTM System (Unisoku) STM/STS: 400 mK Magnetic field: 11 T Vacuum: 5x1011Torr MBE cryostat STM 高的能量分辨本领高的能量分辨本领 20ML Pb Thin Films20ML Pb Thin Films Resolution: 0.1 meV Ji etal., PRL 100, 226801 (2008) Chen et al., PRL 101, 197208 (2008) Fu et al., PRL 103, 257202 (2009) Zhang et al., PRL 103, 266803 (2009) Cheng et al., PRL 105, 076801(2010) Zhang et al., Nat. Phys.6, 104 (2010) Song et al., Science 332, 1410 (2011) Li et al., Nature Physics (2011) STM/STS: 4K ARPES: 1meV RHEED 5x1011Torr MBESTM角分辨光电子能谱角分辨光电子能谱 System STM MBE ARPES Photon energy: 21.2eV(HeI) Energy resolution: 10 meV Angular resolution: 0.2 T=77 K Experimental parameters LayerbyLayer Growth of Bi2Se3(Bi2Te3) on Si Si wafer RealTime Electron Diffraction 强度振荡强度振荡 TBi TSiTSe(Te) Se(Te)rich (Se2/Bi20) 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射 Bi2Te3Film: atomically flat with very few defects 16 nm x 16 nm Te atom Y. Y. Li et al., Adv. Mater. (2010) G. Wang et al., Adv. Mater. (2011) X. Chen et al., Adv. Mater. (2011) kx ky E EF Band Structure of Bi2Te3 Thin Films 0.0 0.1 0.2 Bi2Te3 Si “intrinsic” Conduction Band Valence Band EF Bi2Se3atomically flat film on graphene/SiC 200 nm x 200 nm Zhang et al., Nat. Phys. 2010 Xue, Nat. Nanotechnol. 2011 Zhang et al., PRL 2009 Cheng et al., PRL 2010 Jiang et al., PRL 2010 Li et al., Adv. Mater. 2010 Wang et al., Adv. Mater. 2011 Chen et al., Adv. Mater. 2011 Song et al., PRB 2011 Wang et al., PRB 2011 Liu et al., PRB 2011 Wang et al., PRB 2011 Zhang et al., APL 2010 Song et al., APL 2010 Yuan et al., Nano Lett. 2011 Bi2Se3on graphene on SiC Electronic Structure of Bi2Se3Thin Films 120mV Y. Zhang et al., Nature Physics 6, 584 (2010) 50 QL Xue et al., Nat. Nanotechnology 6, 197 (2011) OUTLINE 1. 拓扑绝缘体简介拓扑绝缘体简介 2. 拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长(MBE) 及电子结构及电子结构 (Bi2Te3/Bi2Se3/Sb2Te3) 3. 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 (STM) 研究研究 4. 最新进展最新进展 5. 展望展望 拓扑绝缘体的基本性质拓扑绝缘体的基本性质 TI Vaccum Normal insulator Boundary Band Cutting Topological insulator pcH mcpcH ? ? = += 2 (m=0) Massless 2D Dirac Equation (QMRelativistic effect) Boundary/Surface Time Reversal Symmetry (robust) Moore, Nature 2010 Conductor Insulator Topological Insulator Insulating (bulk) conducting (surface) Spin-Orbital Coupling 材料的分类(新): 拓扑能带理论材料的分类(新): 拓扑能带理论 Ag atom (nonmagnetic) on Bi2Te3 n-doped Geometry of Ag defects Ag atom Bi2Te3 V=400mV V=150mVV=100mVV=50mV V=200mVV=300mV Surface nature of topological states! 电子受到电子受到Ag杂质散射导致的表面驻波杂质散射导致的表面驻波 QUANTUM CORRAL Dr. Eigler (IBM Almaden) 电子的量子干涉导致电子的量子干涉导致的表面驻波的表面驻波 FFT V=400mV V=150mVV=100mVV=50mV V=200mVV=300mV dI/dV mappings 电子受到电子受到Ag杂质散射导致的表面驻波杂质散射导致的表面驻波 M K SBZ 400 mV 100 mV50 mV150 mV 300 mV200 mV FFT 时间反演对称性的证明：电子背散射缺失时间反演对称性的证明：电子背散射缺失 M K Kspace Only direction 杂质原子杂质原子 入射电子入射电子 反射电子反射电子 电子遇到非磁性杂质后， 不 会被反射回来，会 电子遇到非磁性杂质后， 不 会被反射回来，会“勇往直 前 勇往直 前”，前进再前进！，前进再前进！ Zhang et al., PRL 103, 266803 (2009) Traffic jam inside chips todayInfo highway for chips in the future 微电子学发展的瓶颈微电子学发展的瓶颈 电子运动过程中受到的散射：电子运动过程中受到的散射： 芯片发热、速度慢芯片发热、速度慢 未来信息高速公路未来信息高速公路 拓扑绝缘体的基本性质拓扑绝缘体的基本性质 pcH mcpcH ? ? = += 2 (m=0) 无质量的狄拉克粒子无质量的狄拉克粒子 (QMRelativistic effect) Boundary/Surface Time Reversal Symmetry (robust) E DOS n=0n=1n=2 2D Electron Gas in Semiconductor E DOS n=0n=1 n=2 n=3 2D Massless Dirac Fermions Landau Level STM Observation of LLs Miller et al., Science 324, 924 (2009) Nature 438, 201(2005) Nature 438, 197(2005)Nature 462, 196(2009) Nature 462, 192(2009) 石墨烯中的二维无质量狄拉克费米子石墨烯中的二维无质量狄拉克费米子 整数量子霍尔效应分数量子霍尔效应整数量子霍尔效应分数量子霍尔效应 Landau Quantization 两维无质量狄拉克费米子体系的朗道量子化两维无质量狄拉克费米子体系的朗道量子化 Discrete levels: LL0: independent of B 半整数量子霍尔效应半整数量子霍尔效应 Bi2Se3 Cheng et al., PRL 105, 076801 (2010) Sb2Te3 Si 1.90 Sn 1.96 Pb 2.33 Sb 2.05 Bi 2.02 Se 2.55 Te 2.10 IVVVI Electronegativity Y. P. Jiang, PRL 108, 016401 (2012) PRL 108, 066809 (2012) 0.5 m x 0.5 m OUTLINE 1. 拓扑绝缘体简介拓扑绝缘体简介 2. 拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长(MBE) 及电子结构及电子结构 (Bi2Te3/Bi2Se3/Sb2Te3) 3. 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 (STM) 研究研究 4. 最新进展最新进展 5. 展望展望 Grand Grail Hall EffectAnomalous Hall EffectSpin Hall Effect Quantum Hall Effect Quantum Spin Hall Effect Quantum Anomalous Hall Effect 2004 1879 1980, 1985 2006/2007 1880 (Breaking TR) (TR) (TR) Theory: Fang & Zhang Science 329, 61 (2010) Zhang: Science 2006 Molenkamp: Science 2007 Experiment: ? Gate-tuned anomalous Hall effect SrTiO3 TI film The carrier density 3 1013/cm2 -1.0-0.50.00.51.0 -8 -4 0 4 8 35 V 20 V 100 V 0 V -20 V -210 V Ryx(k) 0H (T) x = 0.20 6 k Cr0.22(BiSb0.78)2Te3 (5QL) h/e2 Approaching the QAH regime? Bi2Se3 FeSe Prof. M. K. Wu: PNAS 2008 Majorana Fermions: 超导拓扑绝缘体的异质结超导拓扑绝缘体的异质结 100nm100nm 10nm10nm 1TL FFT: a=0.38nm 2TL LayerByLayer Growth of FeSe Thin Films on Graphene 1TL 3TL 4TL graphene Nodes in the SCgap function Nodal Superconductivity in FeSe 30TL 0= 2.2 meV Vshaped dI/dV and linear energy dependence of the quasiparticle density of states near EF Song et al., Science 332, 1410 (2011) SrTiO3 FeSe High TCSuperconductivity in Single Unit Cell Films of FeSe on Se-etch STO Q. Y. Wang et al., Chin. Phys. Lett. 29, 037402 (2012) 0.55nm 2UC 20.1 meV =20 meV 1UC 1UC 2UC bulk =2.2 meV Tc= 9.3 K Tc 80 K (?) SrTiO3 FeSe High TCTopological Superconductor? Q. Y. Wang et al., Chin. Phys. Lett. 29, 037402 (2012) 0.55nm Bi2Se3 By growing Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3, Bi, Sb thin films on 1UC FeSe 2UC 1UC 1UC FeSe on BSCCO cuprates Wang et al., Science 336, 52 (2012) April 6, 2012 Searching for Majorana fermions in heterostructure Bi2Se3/NbSe2 Wang et al., Science 336, 52 (2012) Bi2Se3/Bi/NbSe2 NbSe2 BiBi2Se3 3 QL 6 QL FeSe films (30 TL) on graphene/SiC(0001) 5 nm 5 nm 200nm 200nm Song et al., Science 332, 1410 (2011) S wave superconductor Summary Traffic jam inside chips todayInfo highway for the chips in the future Si chipTI chip MBEgrown thin films: Material for TI and IT (?) (1)or+(2)+32Bi2Se3 Kinetics of Molecular Beam Epitaxy Se4 Bi Se2 Si MOSFET Integer Quantum Hall Effect PRL 45, 494(1980) Klitzing (1985 Nobel)(1998 Nobel) LaughlinStormerTsui PRL 48, 1559(1982) PRL 50, 1395(1983) 有质量的二维电子气有质量的二维电子气 (under Magnetic Field) GaAs MOS FET Fractional Quantum Hall Effect STM Observation of LLs Miller et al., Science 324, 924 (2009) Nature 438, 201(2005) Nature 438, 197(2005) Nature 462, 196(2009) Nature 462, 192(2009) Landau Quantization in Graphene (无质量二维电子气)(无质量二维电子气) Integer Quantum Hall Effect Fractional Quantum Hall Effect Landau Quantization of 2D Dirac Fermions 100nm100nm 10nm10nm 10mV 1TL FFT: a=0.38nm 2TL LayerByLayer Growth of FeSe thin films on Graphene 1TL 3TL 4TL graphene Nodes in the SC-gap function Evidence of nodal superconductivity in FeSe Intrinsic to the stoichiometric FeSe 30TL STS 0.4 K 0= 2.2 meV V-shaped dI/dV and the linear dependence of the quasiparticle density of states on energy near EF FeSe0.4Te0.6 : fullgapped tunneling spectrum Science 327, 474 (2010) 2D Electron System：Landau Quantization B External Magnetic Field (Landau Levels) Conducting edge (1D) Quantum Hall Effect magnetic field Conducting edge (1D) Quantum Spin Hall Effect no magnetic field 2D TI Conducting edge (1D) Quantum Hall Effect magnetic field Conducting edge (1D) 2D Topo Insulator QSHE no magnetic field Conducting edge (2D) 3D Topo Insulator Insulating bulk Insulating bulk New Quantum State of Matter Insulating bulk FFT of dI/dV mapping Homogeneous SCgap in FeSe 0.4 K 20 nm 20 nm V=10 mV Au/Ti electrodes Sapphire substrate Bi2Se3film Se capping layer 050100150200250300 0.01 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 1QL 2QL 3QL 4QL 5QL 6QL R2D (h/e 2) T (K) R (h/e2) (a) (b) (c) 5QL (Bi1-xSbx)2-yCryTe3 Remanence vs. T RAHincreases with decreasing carrier density Defect scattering leads to standing waves initial momentum ki momentum transfer q final momentum kf q Zhang et al., PRL 103, 266803 (2009) BiSb:Roushan et al., Nature 460, 1106 (2009) Alpichshev et al., PRL 104, 016401 (2010) q3 Tc=6.9KTc=7.8K 2TL8TL5TLTc = |21 |12 = ei |21 Integer Quantum Statistics charge + magnetic monopole = anyon Fractional Quantum Statistics Vapor Pressure 100200300400500 600 Se Bi 050 Temperature ( C) 100200300500 600050 Vapor Pressure (Torr) 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 400 Bi-Te binary phase diagram 449.5 C 100 200 300 400 500 600 Bi7Te3 Bi2Te Bi4Te3 BiTe Bi4Te3 Bi2Te3 1020304050 60708090100 TeBi 0 Atomic Percent Te 266 C 312 C 375 C 420 C 586 C 413 C Temperature ( C) Te/Bi ratio 3/2 Bi2Te3 “Intrinsic Insulators” by MBE The chamber is full of Se molecules. Because T(Si)T(Se),