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信息学院电子学系徐洪起、黄少云课题组与化学学院彭海琳课题组在三维拓扑绝缘体量子器件研究方面取得重要进展

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   作为一种新型的量子材料,三维拓扑绝缘体以具有时间反演对称性保护的无能隙狄拉克表面态及其动量与自旋相互锁定的优异特性,被认为是研究拓扑量子态体系基本物理问题开发研制低功耗自旋电子学器件和拓扑信息处理器件最有前景的材料之一。然而目前的研究主要集中在三维拓扑绝缘体材料自身的物理性质方面对如何在三维拓扑绝缘体材料中建立受限拓扑量子态,进而制作拓扑量子器件,研究器件中的新颖多体拓扑物理现象和狄拉克电子量子输运现象尚未有突破性进展。

 

近期,威尼斯网址平台首页信息科学技术学院电子学系徐洪起博雅讲席教授-黄少云副教授研究组与威尼斯网址平台首页化学与分子工程学院彭海琳教授研究组合作成功地以三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄片为基材制作出单电子隧穿晶体管器件,并对器件中的库仑阻塞现象进行了精细测量研究,为进一步研究受限拓扑量子态体系中的多体物理与关联物理问题以及制作基于三维拓扑绝缘体的量子器件奠定了实验基础。20199基于相关工作学术论文基于三维拓扑绝缘体的单电子晶体管器件》(A single-electron transistor made of a 3D topological insulator nanoplate为题在线发表先进材料》Advanced Materials;第一作者电子学系2012博士研究生敬玉梅,徐洪起、黄少云为通讯作者。

 

彭海琳研究组采用化学气相沉积CVD技术经过多次优化云母衬底上生长出高品质的Bi2Te3纳米薄片。徐洪起-黄少云研究组通过采用当代先进的微纳加工技术经过工艺攻关优化,制作出单电子隧穿晶体管器件,并通过低温量子输运测量研究了电流的库仑震荡现象和电荷的稳态构型图。采用三维拓扑绝缘体建立单电子隧穿晶体管器件的关键是能够可控有效地具有无能隙表面态的三维拓扑绝缘体材料中定义连接受限拓扑量子点和源漏的量子隧穿结。研究工作首次实验证明这样的量子隧穿结可通过在Bi2Te3薄片上构建一定宽度的量子点接触,从而在表面态能谱中打开一个可控能隙来实现在三维拓扑绝缘体材料体系中构建量子器件铺就了一创新性的技术路线。

 

上述工作主要依托固态量子器件北京市重点实验室完成,得到国家自然科学基金、国家重点研发计划“纳米科技和“量子调控”重点专项、北京市科技计划北京量子信息科学研究院等资助。

 

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.201903686

 

1Bi2Te3纳米薄片单电子晶体管器件的结构图和实验测得的电流库仑震荡曲线,其中AB分别器件结构示意图和所制作的器件扫描电镜照片CE实验测得的电流震荡曲线及其局部放大结果图

 

2Bi2Te3纳米薄片单电子晶体管器件的电子输运特性其中A微分电导随栅压和源漏偏压的变化图(器件的电荷稳态图)BA中黄色虚线部分的局部放大

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