线性磁电阻是一种新型的磁电阻行为,由于具有线性变化特征,它对未来新型磁电阻器件的开发具有重要的应用价值与科学意义。拓扑晶体绝缘体是一类新型的拓扑材料,它不同于拓扑绝缘体,其拓扑保护不是来自时间反演对称性,而是来自晶格对称性,因此更容易利用结构因素对其晶格对称性进行调控,以达到调控其拓扑表面态,进而调控其表面电输运的目标。在单晶拓扑晶体绝缘体薄膜上,如果实现线性磁电阻,进一步利用结构对称性来调控其拓扑表面态,将为拓扑晶体绝缘体真正应用于自旋电子学器件奠定重要基础,也会为拓扑晶体绝缘体的电磁输运机制理论研究提供重要的实验支撑。

线性磁电阻是一种新型的磁电阻行为,由于具有线性变化特征,它对未来新型磁电阻器件的开发具有重要的应用价值与科学意义。拓扑晶体绝缘体是一类新型的拓扑材料,它不同于拓扑绝缘体,其拓扑保护不是来自时间反演对称性,而是来自晶格对称性,因此更容易利用结构因素对其晶格对称性进行调控,以达到调控其拓扑表面态,进而调控其表面电输运的目标。在单晶拓扑晶体绝缘体薄膜上,如果实现线性磁电阻,进一步利用结构对称性来调控其拓扑表面态,将为拓扑晶体绝缘体真正应用于自旋电子学器件奠定重要基础,也会为拓扑晶体绝缘体的电磁输运机制理论研究提供重要的实验支撑。

固态系统的量子输运性质与电子的波动性密切相关。在低温下,电子波能在很长距离上保持相干性,波的干涉带来了丰富多彩的介观物理效应,如Aharonov-Bohm效应、Altshuler-Aronov-Spivak效应、普适电导涨落和弱局域化效应等。研究材料中的电子的退相干机制不仅有助于深入理解量子输运性质,而且对利用波的干涉性质探索新奇准粒子和进一步进行量子信息处理也至关重要。

近期,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心功能材料与器件研究部研究员张志东、项目研究员马嵩与美国Case
Western
Reserve大学教授高翾合作,利用分子束外延系统,在SrTiO3单晶衬底上可控生长了PbTe/SnTe单晶异质结,观察到2150%的超大非饱和线性磁电阻。通过分析发现此类异质结在低温下显示与拓扑表面态Dirac电子相关的强金属导电特征,载流子具有超高迁移率。进一步控制生长条件,实现界面Pb原子可控扩散并改变SnTe薄膜中空穴浓度,诱导了SnTe薄膜的立方-菱方结构相变,引起了SnTe薄膜的结构对称性破缺,使PbTe/SnTe异质结的线性磁输运行为转变为强度降低几百倍的弱磁阻变化特征。

近期,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心功能材料与器件研究部研究员张志东、项目研究员马嵩与美国Case
Western
Reserve大学教授高翾合作,利用分子束外延系统,在SrTiO3单晶衬底上可控生长了PbTe/SnTe单晶异质结,观察到2150%的超大非饱和线性磁电阻。通过分析发现此类异质结在低温下显示与拓扑表面态Dirac电子相关的强金属导电特征,载流子具有超高迁移率。进一步控制生长条件,实现界面Pb原子可控扩散并改变SnTe薄膜中空穴浓度,诱导了SnTe薄膜的立方-菱方结构相变,引起了SnTe薄膜的结构对称性破缺,使PbTe/SnTe异质结的线性磁输运行为转变为强度降低几百倍的弱磁阻变化特征。

三维拓扑绝缘体(以下简称拓扑绝缘体)是在2008年才被实验确认的一类重要的拓扑量子材料。因其体能带的拓扑性质,拓扑绝缘体的表面上存在着受对称性保护的无能隙电子态。表面态电子构成了一个螺旋性二维狄拉克电子系统,其自旋和动量方向保持锁定关系。这种独特的电子结构导致拓扑绝缘体表面态具有许多有趣的量子输运性质,并引起了世界范围的广泛研究兴趣。尽管已有大量实验研究,但由于样品质量和测量等多种原因,不同实验小组在退相干方面的实验结果不尽相同,这导致人们还不能对拓扑绝缘体表面态电子的退相干机制形成定论。

对超高线性磁电阻PbTe/SnTe异质结的深入研究发现,利用Van de
Pauw与Corbino两类测量方法均可测得未饱和线性磁电阻。通过分析,PbTe/SnTe拓扑晶体绝缘体异质结的电输运行为由多种载流子贡献。在低温区,电输运由表面态Dirac电子主导;在室温区,电输运由体空穴主导。进一步深入研究发现,PbTe/SnTe异质结的线性磁电阻不能由经典Drude模型描述,说明其电输运行为具有不同于传统的电输运物理本质。这项实验工作为拓扑材料的电输运理论研究提供了一种新的实验现象与实验数据支撑。

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最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室纳米物理与器件重点实验室的李永庆研究组利用在拓扑绝缘体薄膜生长、器件制备、栅压调控和量子输运研究方面的多年实验积累【PRL
105, 176602 ; PRB 83, 241304; PRB 88, 041307 ; PRL 114, 216601
,系统地研究了三维拓扑绝缘体中的电子退相干现象。该小组使用具有顶栅和底栅的器件,同时把2Te3薄膜上下表面的费米能级从体能带调到带隙之中,并能跨过狄拉克点。在这种双栅器件中,不仅能够连续调节体电导的大小,并能实现上下表面脱离耦合的量子扩散输运。他们利用反弱局域效应带来的负磁电导,测量了不同栅压、温度和薄膜厚度的电子退相干速率,并观察到当薄膜的体态导电时,电子退相干速率对温度有线性依赖关系,这与传统二维电子系统中由电子-电子相互作用导致的Nyquist退相干机制相符合。该小组还发现,当体态较为绝缘并且表面态输运占主导时,电子退相干速率呈现出亚线性的温度幂次依赖关系,即\金沙国际平台,(τ
_{-1}^{\phi }\propto
T^{p},p=0.45-0.60\)。为了解释这种反常的温度依赖关系,他们提出了拓扑绝缘体表面态电子退相干的一个新机制:即在补偿掺杂的拓扑绝缘体中,由于体能隙较小,会形成纳米尺度的电子和空穴液团,电子在这些电荷液团间的非弹性散射过程不仅造成了低温下占主导的变程跃迁,并且会大大缩短电子的位相相干长度。实验观测到的亚线性温度依赖关系可以通过表面态电子与这些局域化的电荷液团之间的耦合加以解释。

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