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拓扑绝缘体理想的能带结构。其费米能级位于块材的带隙,该带隙被拓扑保护的表面量子态所填满。

拓扑绝缘体是一种内部绝缘,界面允许电荷移动的材料。

在拓扑绝缘体的内部,电子能带结构和常规的绝缘体相似,其费米能级位于导带价带之间。在拓扑绝缘体的表面存在一些特殊的量子态,这些量子态位于块体能带结构的带隙之中,从而允许导电。这些量子态可以用类似拓扑学中的亏格的整数表征,是拓扑序的一个特例[1]

预言和发现编辑

拓扑保护的边缘状态(一维)在碲化汞/碲化镉量子阱中被预言于1987年[2],随后于2007年由实验观测证实[3]。很快,拓扑绝缘体又被预言存在于含铋的二元化合物三维固体中[4][5]。第一个实验实现的三维拓扑绝缘体在锑化铋中被观察到[6],随后不同实验组又通过角分辨光电子谱的方法,在锑,碲化铋,硒化铋,碲化锑中观察到了拓扑保护的表面量子态[7]。现在人们相信,在其他一些材料体系中,也存在拓扑绝缘态[8]。在这些材料中,由于自然存在的缺陷,费米能级实际上或是位于导带或是位于价带,必须通过掺杂或者通过改变其电势将费米能级调节到禁带之中[9][10]

类似的边缘效应同样出现于量子霍尔效应之中,但仅在强垂直磁场,低温的二维系统中出现。

参考文献编辑

  1. ^ Kane, C. L.; Mele, E. J. Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect. Physical Review Letters. 30 September 2005, 95 (14): 146802. doi:10.1103/PhysRevLett.95.146802. 
  2. ^ Bernevig, B. Andrei; Taylor L. Hughes, Shou-Cheng Zhang. Quantum Spin Hall Effect and Topological Phase Transition in HgTe Quantum Wells. Science. 2006-12-15, 314 (5806): 1757–1761 [2010-03-25]. PMID 17170299. doi:10.1126/science.1133734. 
  3. ^ Konig, Markus; Steffen Wiedmann, Christoph Brune, Andreas Roth, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp, Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang. Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells. Science. 2007-11-02, 318 (5851): 766–770 [2010-03-25]. PMID 17885096. doi:10.1126/science.1148047. 
  4. ^ Fu, Liang; C. L. Kane. Topological insulators with inversion symmetry. Physical Review B. 2007-07-02, 76 (4): 045302 [2010-03-26]. doi:10.1103/PhysRevB.76.045302. 
  5. ^ Shuichi Murakami. Phase transition between the quantum spin Hall and insulator phases in 3D: emergence of a topological gapless phase. New Journal of Physics. 2007, 9 (9): 356–356 [2010-03-26]. ISSN 1367-2630. doi:10.1088/1367-2630/9/9/356. 
  6. ^ Hsieh, D.; D. Qian, L. Wray, Y. Xia, Y. S. Hor, R. J. Cava & M. Z. Hasan. A Topological Dirac insulator in a 3D quantum spin Hall phase. Nature. 2008, 452 (9): 970–974 [2010]. PMID 18432240. doi:10.1038/nature06843. 
  7. ^ Hasan, M. Z; C. L Kane. Topological Insulators. 1002.3895. 2010-02-20 [2010-04-27]. 
  8. ^ Lin, Hsin; L. Andrew Wray, Yuqi Xia, Suyang Xu, Shuang Jia, Robert J. Cava, Arun Bansil, M. Zahid Hasan. Half-Heusler ternary compounds as new multifunctional experimental platforms for topological quantum phenomena. Nat Mater. 2010-07, 9 (7): 546–549 [2010-08-05]. ISSN 1476-1122. PMID 20512153. doi:10.1038/nmat2771. 
  9. ^ Hsieh, D.; Y. Xia, D. Qian, L. Wray, F. Meier, J. H. Dil, J. Osterwalder, L. Patthey, A. V. Fedorov, H. Lin, A. Bansil, D. Grauer, Y. S. Hor, R. J. Cava, M. Z. Hasan. Observation of Time-Reversal-Protected Single-Dirac-Cone Topological-Insulator States in Bi2Te3 and Sb2Te3. Physical Review Letters. 2009, 103 (14): 146401 [2010-03-25]. PMID 19905585. doi:10.1103/PhysRevLett.103.146401. 
  10. ^ Noh, H.-J.; H. Koh, S.-J. Oh, J.-H. Park, H.-D. Kim, J. D. Rameau, T. Valla, T. E. Kidd, P. D. Johnson, Y. Hu and Q. Li. Spin-orbit interaction effect in the electronic structure of Bi2Te3 observed by angle-resolved photoemission spectroscopy. EPL Europhysics Letters. 2008, 81 (5): 57006 [2010-04-25]. doi:10.1209/0295-5075/81/57006. 

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