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Science重點推薦半導體所在拓撲激子絕緣體相方面的研究進展

2018-01-12

    激子絕緣相首先是諾貝爾獎獲得者Mott教授早在上世紀60年代提出,Mott提出考慮庫侖屏蔽效應,在半金屬體系中電子-空穴配對而形成激子,可能會導致體系失穩,從而在半金屬費米面處打開能隙,形成激子絕緣體狀態。但是迄今為止,實驗上觀測激子絕緣體相是一個尚未完全解決的關鍵科學問題。激子絕緣體相存在及其玻色-愛因斯坦凝聚的確鑿證據還不是很充分,主要是由于激子的壽命較短,帶來觀測上的困難。

    InAs/GaSb半導體量子阱系統是十分重要的紅外探測器體系,其能帶結構十分獨特,本征情況下也會自發形成空間分離的二維電子氣和空穴氣。由于其電子、空穴的空間分離,激子壽命變長,為研究激子絕緣體提供了一個良好平臺。在InAs/GaSb半導體量子阱中,通過調節InAsGaSb層厚,可以使得GaSb層的價帶頂高于InAs層的導帶底,這樣體系中可以自發地形成局域于InAs層的電子氣,和局域于GaSb層的空穴氣,兩者在實空間分離。斯坦福大學張首晟組的理論工作證明InAs/GaSb量子阱的基態是二維量子自旋霍爾絕緣體,杜瑞瑞實驗組在該系統中觀察到了拓撲邊緣態的輸運,并且發現邊緣態輸運即使在強磁場下還能保持。

如果考慮電子-空穴間的庫侖作用,即當激子束縛能大于體系的雜化能隙時,理論上猜想該體系基態形成如Mott教授預言的激子絕緣體相甚至拓撲激子絕緣相。美國Rice大學/北京大學杜瑞瑞實驗組RIce大學Kono實驗組和中科院半導體所常凱理論組從實驗和理論兩方面研究了InAs/GaSb量子阱中的激子絕緣相。常凱研究員和婁文凱副研究員構造了平行磁場下激子的多帶量子多體理論模型,研究了激子絕緣相的基態及其獨特的色散,發現激子的基態是處于有限動量處的暗激子。在低溫且低電子-空穴對密度情形下,體系打開類似BCS超導體中的能隙。通過研究激子的色散關系,提出利用太赫茲透射譜來驗證激子絕緣體的存在,指出太赫茲透射譜表現為兩個吸收峰,理論計算預言的吸收峰位與實驗一致,為激子絕緣相光學觀測提供了理論依據。

1(a)InAs/GaSb量子阱能譜圖; (b)實驗裝置示意圖 ; (c)激子絕緣體色散關系 ; (d)激子絕緣體聯合態密度 ; (e)THz吸收譜 ; (f)-(h) THz吸收譜:固定磁場不同溫度(f),固定溫度不同磁場(f,h); (i)帶隙與溫度關系 ; (j)測量縱向電導與門電壓之間關系 ; (k)不同磁場強度下InAs/GaSb能譜結構。

文章發表于Nature Communications 8, 1971 (2017)[https://www.nature.com/articles/s41467-017-01988-1]。常凱研究員是共同通訊作者。文章發表后,被最新一期的Science雜志中Physics欄目重點推薦[http://science.sciencemag.org/content/358/6370/1552.7]

 

 

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