量子材料拓扑绝缘体

1、量子材料：超导和拓扑绝缘体,谢心澄 北京大学物理学院 2016年11月,北京大学前沿讲座,物理学：研究物质基本结构和物质运动基本规律的科学,也是支撑其它学科发展的最重要的基础学科。 凝聚态物理学：当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。以量子力学、电磁学和统计物理为基础，研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态物质的结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。,什么是物理学,2,凝聚态物理学:层展现象,3,“The ability to reduce everything to simple fundamental laws does not imply the

2、ability to start from those laws and reconstruct the universe.” P. W. Anderson,凝聚态物理学:层展现象,4,虽然单个微观粒子的性质已被完好地知晓，但大量基本粒子的复杂聚集体的行为并不能依据少数粒子的性质做简单外推得到理解。每一复杂性的发展层次之中呈现了全新的性质，需要全新的概念。 凝聚态物理学的一个目标就是发现这些“层展”现象和性质的原理。 层展现象通常通过新“粒子”的产生而表现出来。基本粒子聚集而成的复杂系统从微观上可以被看成是“新粒子”组成的简单系统。,superfluidity (phonon-rotons),

3、BEC,magnetism (magnons),crystal (phonons),凝聚态物理学的一些成果直接影响日常生活：内容丰富，充满活力。 研究对象：以固体物理学为主干并进一步拓宽，包括晶体、非晶体、准晶体、稠密气体、液体、固液中介相等； 研究层次：从宏观、介观到微观； 物质维数：从三维到低维、分数维； 结构：从周期到非周期和准周期，完整到不完整和近完整； 外界环境：从常规条件到极端条件和多种极端条件交叉作用。,凝聚态物理学,5,材料：专指一些有用的物质。 材料的分类 1.根据材料的来源分类：天然材料(矿物,动物和植物材料)和人工材料 2.根据材料的用途和性能分类：结构材料(利用力学性能

4、承受一定负荷的材料)和功能材料(利用物理和化学特性的材料) 3.根据材料的成熟程度分类：传统材料和新兴材料 4.根据材料的化学性质分类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料,什么是材料,6,考古学家用“材料”来划分时代： 石器时代 （硅酸盐） 青铜器时代 （铜合金） 铁器时代（铁合金） 。 生产力的进步是社会发展的根本原因，劳动工具的发展是生产力进步的主要因素,材料的发展，人类的进步,7,8,认识材料,制造工具,使用工具,工艺过程,9,凝聚态物理学,材料科学,推动发展,提供问题,信息技术、纳米科学、激光技术、医学、生命科学、军工。,晶体管的发明：利用半导体电性质 量子理论应用于固

5、体：认识半导体 制备高纯材料，有控制地掺杂,半导体材料和微电子信息时代,10,晶体管,晶体管发明人： John Bardeen、William Shockley和 Walter Brattain（贝尔实验室）,集成电路,超导体是某种材料处在一定的温度等条件下时，电流可以在其中无阻地流动。 从物理上讲是电子凝聚到一种宏观的量子态时所表现出的奇特的性质。 从科技馆的磁悬浮演示看超导体有两个基本性质：零电阻效应和迈斯纳效应,超导体,超导百年大事记,1911 荷兰科学家Onnes发现超导现象 1913 Onnes获诺贝尔奖 1933 Meissner-Oschenfeld效应 1935 London理

6、论 宏观波函数 1950 Ginzburg Landau理论 唯象理论 1950 同位素效应 1957 Abrikosov提出第二类超导体并预言磁通涡旋 1957 Bardeen、Cooper和Schrieffer提出超导微观理论BCS理论 1962 商业超导NbTi线、超导磁体 1962 Josephson预言Josephson效应 1972 BCS理论获诺贝尔奖 1973 Joesphson和Giaver获诺贝尔奖 1981 商业超导磁共振成像 1986 高温超导体 (Bednorz and Mueller) 1987 Bednorz and Mueller获诺贝尔奖 2001 MgB2超

7、导体 2003 Abrikosov和Ginzburg获诺贝尔奖 2008 铁基超导体 2008 国际热核聚变实验反应堆开建，需数千吨超导材料,超导百年,1911年4月8日荷兰物理学家卡麦林昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）继1908年实现了氦气液化之后，在研究汞等金属低温下的电阻行为和规律时，偶然发现了超导电性。,Delft and Kes 2010,超导电性：第一个被发现的宏观量子现象,超导电性的确定是对传统概念的重大突破。 当时物理学正处于从经典物理学向现代物理学、特别是向量子力学的过渡时期。超导电性是第一个被发现的宏观量子现象，从一开始就引起了科学界的极大关注。 对物

8、理学的发展起到很大的作用。,First Solvey Conference 1911 The year Onnes reported the discovery of superconducitivty in Hg,从唯象理论到BCS微观超导理论,超导理论的建立经历了以London方程（基于Meissner效应）为代表的现象描述阶段，到以Ginzburg-Landau超导理论为代表的唯象理论阶段，直到建立BCS微观理论。,超导体的唯象理论 （1950,9157）,G-L超导唯象理论和超导量子磁通点阵理论在相变理论的基础上从物理上引进有序参量,解释并预言了超导的物理性质； 对复杂的第二类超导体给

9、出了简单而准确的量子力学的描述。 同时反映了一个研究群体的传统和领头人的大家风范.,提出了第一类和第二类超导体的概念 预言了超导磁通点阵的存在 奠定了强电应用的理论基础 很好描述超导体的热学和电学性质， GL理论在其它领域也有应用,超导电性的微观理论BCS理论 （1957）,BCS超导微观理论是老中青三结合的典范 努力、机遇和合作。 巴丁教授经历丰富，对超导机理的研究契而不舍，终获成功。,BCS超导理论是量子场论理论进展的一个里程碑，不仅清晰地描述了超导的微观物理图像，其概念也被用于宇宙学、粒子物理、核物理等领域，促进了物理学的发展。,超导体间的隧穿效应,单电子隧道效应学科交叉、启发灵感,超导

10、隧道效应（约瑟夫森效应） 学术交流、机遇、灵感及 创造性的思维。,不迷信权威，独立思考，坚持自己的想法,揭示超导机制，体现量子特性 许多电子学应用的物理基础,高温超导体的发现使应用领域大大拓展,80年代后期，铜氧化合物超导电性的发现，因其临界温度突破了液氮温区，更大规模的世界性的超导研究热潮出现了。 20多年来，虽然高温超导机理研究还没有取得突破，应用研究的领域却得以拓展。一批很有潜力的大型高温超导样机制备成功，如全超导的示范配电站、36兆瓦的电机等。移动通讯基站上也使用了几千台高温超导滤波器。 但高温超导的商品还是太少。这就需要在进行材料和机理研究的同时努力推动应用。 超导作为宏观量子态具有

11、极为特殊的物理性质和极大的应用潜力，特别是在能源方面。有人认为21世纪电力工业的技术储备有两个，一个是超导，另一个是智能电网。超导体可以用于能源，信息技术、生物医学、交通运输和航空航天等领域。,2011 08 22,超导技术,科学探索 科学仪器 大科学工程,工业加工技术,生物医学工程,军工武器装备,交通运输工业,超导电力,航空航天,信息技术,海洋,弱电应用：SQUID测量心磁图、脑磁图,超导量子干涉仪（SQUID）能够检测出相当于地球磁场的几亿分之一的变化，其灵敏度理论上只受量子力学测不准原理的限制； 北京大学在309医院建立了高温超导多通道心磁图系统 中科院微系统所正研制低温超导64通道心磁

12、系统,强电应用,与能源有关方面 超导技术是电力工业的一个革命性的技术储备 是磁约束受控核聚变不可替代的制备强磁体的材料。中国已经参加ITER计划。西部超导公司将保障部分超导线的供应 交通 是新一代的舰船推动系统的基础 超导磁悬浮列车也是很有优势的 生物医学 多数医用核磁共振成像设备和高分辨率的NMR用的强场磁体也是超导的。,2011 08 22,超导磁体,Ig-Nobel 2000,Andre Geim,Michael Berry,Onnes首先提出超导磁体应用 第II类超导体理论是磁体应用的理论基础 超导磁体是迄今超导最主要的应用,目前：20T 预计：HTSC insert 30T,核磁共振

13、和成像,核磁共振和磁共振成像是确定分子结构 和组织成像的最有效手段之一 信号 磁场强度 探测灵敏度 磁场强度 谱线或图像分辨率 磁场稳定性 超导磁体可以提供非常强和非常稳定的磁场，在高分辩谱议和成像系统中不可缺少。 超导磁共振成像是超导的最主要商业应用。,1GHz超导核磁共振谱议,新的方向 低场MRI 稀土原料价格的上涨， MgB2超导磁体越来越受重视，制冷技术的发展也极大推动了超导的应用 超低磁场MRI MRI脑磁图 (组织成像+功能成像）,美国：Tres Amigas超级变电站,驱动力： 美国现有三大电网（美国东部电网、西部电网、德克萨斯电网）之间基本未实现有效互联； 可再生能源利用快速发

14、展； 超导体具有零电阻效应和高电流传输密度等不可比拟的巨大优势。 如何实现： 通过Tres Amigas超级变电站实现任何两个电网互联（直流传输）； AC/DC电能变换； 超导直流电缆（Superconductor Electricity Pipelines）。 关于超级变电站： 地点：Clovis, New Mexico； 占地：22.5平方英里； 超导直流电缆：单根5GW/几英里； 模式：三角形互联/2014年投运。,可再生能源市场枢纽 三大电网完全一体化,Source: ,高温超导电缆受到重视,探索新超导体始终具有极大的吸引力，科技界从未放弃，从超导发现时起就一直在坚持（见“物理” 19

15、77年 4 月）。近二十多年的进步是巨大的, 发现了两个高温超导家族。除实用的超导材料之外，一些新超导体的发现也不断为物理学和材料科学的研究提供重要内容， 探索新超导体也开辟新的研究领域（例如，有机超导体、重费米子超导体等）。 与此同时也带动了新的工艺技术的发展（例如，调制合金，现在称为异质多层膜）和具有特异性质的非超导材料的发现（例如，庞磁阻和可能用于存储的阻变材料等）。,新超导体的探索,新超导体的探索,在新材料探索有两个方面的事情可以考虑做。 首先是在铜氧化合物和铁基材料中挖掘，开发出新的实用超导材料。 高压下HgBaCuO的临界温度已经可以达到150-160K，表明超导态是可以在这么高的

16、温度下存在。因此在新材料方面有希望找到在常压下临界温度更高的超导体。例如可以在110K下适于应用的超导体。 铁基超导体的发现是个极大的推动，不仅是第二个高温超导的家族，而且又是一次思想的解放。因为过去搞超导的人都担心Fe离子对超导的抑制作用。 对于高温超导体家族的特性研究可以归纳一些规律，帮助寻找新的高温超导体，例如，结构是四方又是准二维的，同时存在多种合作现象的全新的体系。,The evolution of superconducting Tc in the past century:,LaOFeAs,High-Tc Cuprates,主要铁基超导材料的发现时间及其Tc,两大挑战,对铜氧化合

17、物超导体及新发现的超导体的微观机理的了解。 -会极大推动凝聚态物理学的新发展 探索更适于应用或更高临界温度，如高于110K可实用化的超导体（LNG温区）甚至室温超导体。 室温超导体能否找到，既没有成功的理论肯定，也没有成功的理论否定。而事实上，临界温度一直在提高，新的超导体在不断地被发现。对于金属氢可能是室温的研究也在不断有新的进展。如果发现室温超导体，其影响是无法估计的。有可能像集成电路那样成为带动世界经济社会发展的新的增长点。,数学中的几何与拓扑 I,拓扑：研究几何体连续变形下不变的性质。,=,拓扑等价,J. E. Moore, （2010）,拓扑绝缘体,数学中的几何与拓扑 II,陈省身先

18、生,拓扑不变量： 表征几何体在连续变形下不变的量。,高斯-波涅-陈定理,对于二维封闭流形,高斯曲率,Chern 数,亏格,霍尔效应 I,霍尔效应 II,载流子受到电场力与洛伦茨力共同作用,达到稳定后， y 方向受力为零,x 方向电流密度,霍尔电阻率,载流子电荷,载流子浓度,霍尔效应被广泛应用于各种物理测量,测量载流子的浓度. 判断载流子类型 . 电子（e0）,量子霍尔效应改变了物理学家对可观测物理量的认识。,通常物理量,对系统的微小改变，导致可观测物理量的微小改变。,强磁场下的量子霍尔效应,可观测物理量（霍尔电阻）对系统的连续微小改变（磁场B）保持不变。,量子霍尔效应将可观测物理量与数学概念拓

19、扑联系起来。,能连续改变： 几何,不变： 拓扑,量子霍尔效应,整数量子霍尔效应 I,1980 年 Klitzing教授在强磁场下MOS 晶体管二维电子气中发现整数量子霍尔 效应。,1985,/nobel_prizes/physics/laureates/1985/,整数量子霍尔效应 II,K. V. Klitzing （1980）,整数量子霍尔效应 III,在强磁场下二维电子气霍尔电阻表现出台阶效应。 霍尔电阻表现出整数量子化特性,为量子化电阻,整数量子霍尔效应 IV,量子霍尔电阻作为新的电阻标准,F. Delahaye et al., Repo

20、rt of the 18th Meeting of CCE, BIPM, (1988),量子霍尔效应应用于精细常数测量,e : 电子基本电荷 h ： 普朗克常数 c： 真空光速 ke： 真空库伦常数,精确到,在量子霍尔效应标准以前国际 标准协会使用一组电阻线圈的 平均值作为电阻单位。,精确到,分数量子霍尔效应 I,实验,理论,分数量子霍尔效应 II,D. C. Tsui, H. L. Stomer et al (1982),J. P. Eisenstein et al., (1990),从整数量子霍尔效应到分数量子霍尔效应 更高质量的样品，更强的磁场，更低的温度 霍尔电阻分数量子化。 理论方面

21、 电子在强磁场和相互作用下的集体行为. 准粒子带有分数电荷,p，q 为正整数,电子的额外自由度：自旋,自旋可以直接与磁场耦合， 也可以通过自旋轨道相互 作用与电场间接耦合,从量子霍尔效应到量子自旋霍尔效应,N.Nagosa, (2007),石墨烯,A K Geim and NOVOSELOV 2004-2005年制备出单层石墨烯 2010年获得诺贝尔奖,第一个理论量子自旋霍尔效应,C L Kane,E J Mele,2005年C L Kane 和 E. J. Mele在石 墨烯体系提出量子自旋霍尔效应。 为不需要强磁场的拓扑绝缘态， 自旋轨道起了强磁场的作用 石墨烯体系自旋轨道耦合比较弱， 比

22、较难以在实验观测。,第一个实验实现的量子自旋霍尔效应,注意：提出在CdTe/HgTe/CdTe实现量子 自旋霍尔效应的不是谢尔顿.库珀博士 而是 Bernevig 与张首晟,B.A. Bernevig, et al.,(2006),Laurens Monekamp,在量子自旋霍尔体系，纵向电阻量子化。,从二维量子自旋霍尔效应到三维拓扑绝缘体,由自旋轨道耦合引起的拓扑绝缘体可以推广 到三维。 R. Roy （2006/06) Moore and Balents (2006/07) Fu Liang, Kane and Mele (2006/07) 存在体带隙拓扑保护的表面态。,物理中的拓扑：氢原

23、子的能级,氢原子中电子满足方程,解上述方程可得：,里伯德常数,氢原子中的电子只能填充在 固定能量的分立能级上。 其它孤立原子电子能级与氢 原子中电子行为类似。,从孤立原子能级到固体能带理论,导体,绝缘体,导带,价带,带隙,能带理论 ： 拓扑绝缘体,普通绝缘体,拓扑绝缘体,由于拓扑绝缘体的能带结构，材料体内是绝缘体，表面表现出金属态 除非破坏体带隙，无能隙激发不会消失。 价带能用某一拓扑不变量表征，量子霍尔效应中该拓扑不变 量等于霍尔电导。,整数量子霍尔效应的实空间物理图像:边缘态,无能隙激发对应边缘态,拓扑的边缘态输运能绕过杂质，从而能避免杂质的散射。,寻找拓扑绝缘体材料,53,研究集体主要科技贡献：该研究集体（方忠、戴希、吴克辉、谢心澄等）通过计算、理论、实验的紧密结合，在拓扑绝缘体的研究方面取得了一系列重大突破与创新：（1）发现了Bi2Te3、Bi2Se3系列拓扑绝缘体材料，使得广泛的实验研究成为可能，这也是目前国际公认的标准拓扑绝缘体材料；（2）突破单晶制备的难题，在国际上率先制备出了原子级平整的Bi2Se3、Bi2Te3单晶绝缘薄膜；（3）实验验证了拓扑绝缘体所特有的拓扑物性；（4）发现了拓扑绝缘体Bi2Te3在压力下的超导态；（