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Science重点推荐半导体所在拓扑激子绝缘体相方面的研究进展

2018-01-12

    激子绝缘相首先是诺贝尔奖获得者Mott教授早在上世纪60年代提出,Mott提出考虑库仑屏蔽效应,在半金属体系中电子-空穴配对而形成激子,可能会导致体系失稳,从而在半金属费米面处打开能隙,形成激子绝缘体状态。但是迄今为止,实验上观测激子绝缘体相是一个?#24418;?#23436;全解决的关键科学问题。激子绝缘体相存在及其玻色-爱因?#22266;?#20957;聚的确凿证据还不是很充分,主要是由于激子的寿命?#38553;蹋?#24102;来观测?#31995;?#22256;难。

    InAs/GaSb半导体量子阱系统是十分重要的红外探测器体系,其能带结构十分独特,本征情况下也会自发形成空间分离的二维电子气和空穴气。由于其电子、空穴?#30446;?#38388;分离,激子寿命变长,为研究激子绝缘体提供了一个良好?#25945;ā?#22312;InAs/GaSb半导体量子阱中,通过调节InAsGaSb层厚,可以使得GaSb层的价带顶高于InAs层的导带底,这样体系中可以自发地形成局域于InAs层的电子气,和局域于GaSb层?#30446;?#31348;气,两者在实空间分离。?#22266;?#31119;大学张首晟组的理论工作证明InAs/GaSb量子阱的基态是二维量子自旋霍尔绝缘体,杜瑞瑞实验组在该系统中观察到了拓扑边缘态的输运,并且发现边缘态输运?#35789;?#22312;强磁场下还能保持。

如果考虑电子-空穴间?#30446;?#20177;作用,即当激子束缚能大于体系的杂化能隙?#20445;?#29702;论上猜想该体系基态形成如Mott教授预言的激子绝缘体相甚至拓扑激子绝缘相。美国Rice大学/北京大学杜瑞瑞实验组RIce大学Kono实验组和中科院半导体所常凯理论组从实验和理论两方面研究了InAs/GaSb量子阱中的激子绝缘相。常凯研究员和娄文凯副研究员构造了平行磁场?#24405;?#23376;的多带量子多体理论模?#20572;?#30740;究了激子绝缘相的基态及其独特的色散,发现激子的基态是处于有限动量处的?#23548;?#23376;。在低?#34385;?#20302;电子-空穴对密度情形下,体系打开类似BCS超导体中的能隙。通过研究激子的色散关系,提出利用太赫兹透射谱来验证激子绝缘体的存在,指出太赫兹透射谱表现为两个吸收峰,理论计算预言的吸收峰位与实验一致,为激子绝缘相光学观测提供了理论依据。

1(a)InAs/GaSb量子阱能谱图; (b)实验装置示意图 ; (c)激子绝缘体色散关系 ; (d)激子绝缘体联合态密度 ; (e)THz吸收谱 ; (f)-(h) THz吸收谱:固定磁场不同温度(f),固定温度不同磁场(f,h); (i)带隙与温度关系 ; (j)测量纵向电导与门电压之间关系 ; (k)不同磁场强度下InAs/GaSb能谱结构。

文章发表于Nature Communications 8, 1971 (2017)[https://www.nature.com/articles/s41467-017-01988-1]。常凯研究员是共同通讯作者。文章发表后,被最新一期的Science杂志中Physics栏目重点推荐[http://science.sciencemag.org/content/358/6370/1552.7]

 

 

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