拓扑绝缘体与量子霍尔效应(拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应)

什么是拓扑绝缘体

简介拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”.这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。

福种无能隙的表面金属态也完全不同于一般意义上的由于表面未饱和键或者是表面重构导致的表面态，拓扑绝缘体的表面金属态完全是由材料的体电子态的拓扑结构所决定，是由对称性所决定的，与表面的具体结构无关。

也正是因为该表面金属态的出现是有对称性所决定的，它的存在非常稳定，基本不受到杂质与无序的影响。

性质其体电子态为绝缘态，但是在其表面却有自旋相关的导电通道，这意味着拓扑绝缘体在自旋电子学有潜在的应用前景。

另外，在一个超导体附近的拓扑绝缘体可以产生满足非阿贝尔（非对易）统计的激子——马拉约那费米子。

由于非阿贝尔粒子的拓扑性质受对称性保护，不会由于微小扰动而使量子态退相干，从而导致导致计算错误，这使得拓扑绝缘体可以用于量子计算。

优点拓扑绝缘体材料有着独特的优点：首先，这类材料是纯的化学相，非常稳定且容易合成；第二，这类材料表面态中只有一个狄拉克点存在，是最简单的强拓扑绝缘体，这种简单性为理论模型的研究提供了很好的平台；第三，也是非常吸引人的一点，该材料的体能隙是非常大的，特别是Bi2Se3，大约是0.3电子伏（等价于3600K），远远超出室温能量尺度，这也意味着有可能实现室温低能耗的自旋电子器件。

这些重要特征保证了拓扑绝缘体将有可能在未来的电子技术发展中获得重要的应用，有着巨大的应用潜力。

寻找具有足够大的体能隙并且具有化学稳定性的强拓扑绝缘体材料，成为人们目前关注的重要焦点和难点。

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用通俗的话说说什么是拓扑绝缘体？

拓扑绝缘体是一种特殊的绝缘体，它的内部和普通的绝缘体一样，不导电，但是在表面，存在着电子跃迁到导带，使表面导电。内部不导电，外部导电。

拓扑绝缘体的介绍

按照导电性质的不同，材料可分为“导体”和“绝缘体”两大类；而更进一步，根据电子态的拓扑性质的不同，“绝缘体”和“导体”还可以进行更细致的划分。

拓扑绝缘体就是根据这样的新标准而划分的区别于其他普通绝缘体的一类绝缘体。

因而，拓扑绝缘体的体内与人们通常认识的绝缘体一样，是绝缘的，但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态，这是它有别于普通绝缘体的最独特的性质。

这样的导电边缘态在保证一定对称性（比如时间反演对称性）的前提下是稳定存在的，而且不同自旋的导电电子的运动方向是相反的，所以信息的传递可以通过电子的自旋，而不像传统材料通过电荷来传递。

拓扑绝缘体的研究现状

拓扑绝缘体研究现状：第一代，HgTe量子井第二代，BiSb合金第三代，Bi2Se3，Sb2Te3，Bi2Te3等化合物从理论上说，拓扑绝缘体是由电荷的U(1)对称性以及时间反演对称性共同保护的拓扑态。

只要U(1)对称性和时间反演对称性同时存在，拓扑绝缘体的边缘态就一定是非平庸的，并且，这样的边缘态绝对不能在有同样对称性的低维度系统中实现。

在理论上人们已经意识到，其他的对称性同样可以保护类似的拓扑绝缘体（或者拓扑超导体，取决于对称性中是否包括电荷的U(1)对称性）。

并且，从2009年以来，人们已经对没有相互作用的费米子系统的所有拓扑绝缘体或者拓扑超导体进行了成功分类。

2011年以来，拓扑绝缘体的概念已经被拓展成为一个更为宽泛的概念：symmetryprotectedtopologicalstates.目前，凝聚态理论物理学界已经对各个维度的玻色子系统中的symmeryprotectedtopologicalstates进行了较为完整的分类。

但是对于所有维度的有强相互作用的费米子系统中symmetryprotectedtopologicalstates的分类还没有最后完成。

从现象上说，拓扑绝缘体有其他绝缘体所不具备的特殊性质。

比如，根据理论预测，三维拓扑绝缘体与超导体的界面上的vortexcore中将会形成零能majorana费米子，这一特点有可能实现拓扑量子计算。

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扑绝缘体是一种新的量子态，它的体态存在一个能隙，表现出普通绝缘体的特征；但是在表面上存在贯穿能隙的狄拉克色散形式的表面态，表现出金属的特征。

在本论文中，作者主要讨论三种拓扑绝缘体材料及其与之相关的一些新奇量子现象。

首先，详细讨论了PbTe，Bi2Se3，β-Ag2Te这三种拓扑绝缘体材料。

证实了在一定厚度的PbTe薄膜中可以实现量子自旋霍尔效应，通过第一性原理计算和模型分析，本文还发现PbTe薄膜的拓扑性质会随着薄膜厚度的变化在平庸和非平庸间振荡。

Bi2Se3系列材料是新发现的强拓扑绝缘体，它在T点具有一个狄拉克色散形式的表面态，本文。

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哪位大牛进来科普一下拓扑绝缘体吧

照电子态结构的不同，传统意义上的材料被分为“金属”和“绝缘体”两大类。

而拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，完成不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”。

这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。

这种无能隙的表面金属态也完全不同于一般意义上的由于表面未饱和键或者是表面重构导致的表面态，【拓扑绝缘体的表面金属态完全是由材料的体电子态的拓扑结构所决定，是由对称性所决定的，与表面的具体结构无关】。

也正是因为该表面金属态的出现是有对称性所决定的，他的存在非常稳定，基本不受到杂质与无序的影响。

除此之外，【拓扑绝缘体的基本性质是由“量子力学”和“相对论”共同作用的结果，由于自旋轨道耦合耦合作用，在表面上会产生由时间反演对称性保护的无能隙的自旋分辨的表面电子态】。

这种表面态形成一种无有效质量的二维电子气（与有效质量近似下的二维电子气完全不同：例如广泛使用的场效应晶体管中的二维电子气），它需要用狄拉克方程描述，而不能用薛定谔方程。

正是由于这些迷人的重要特征保证了拓扑绝缘体将有可能在未来的电子技术发展中获得重要的应用，有着巨大的应用潜在。

寻找具有足够大的体能隙并且具有化学稳定性的强拓扑绝缘体材料成为了人们目前关注的重要焦点和难点。

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扑绝缘体是一种新的量子态，它的体态存在一个能隙，表现出普通绝缘体的特征；但是在表面上存在贯穿能隙的狄拉克色散形式的表面态，表现出金属的特征。

在本论文中，作者主要讨论三种拓扑绝缘体材料及其与之相关的一些新奇量子现象。

首先，详细讨论了PbTe，Bi2Se3，β-Ag2Te这三种拓扑绝缘体材料。

证实了在一定厚度的PbTe薄膜中可以实现量子自旋霍尔效应，通过第一性原理计算和模型分析，本文还发现PbTe薄膜的拓扑性质会随着薄膜厚度的变化在平庸和非平庸间振荡。

Bi2Se3系列材料是新发现的强拓扑绝缘体，它在T点具有一个狄拉克色散形式的表面态，本文...

拓扑绝缘体的发现者可能获诺贝尔奖吗？

什么情况

目前物理领域最前沿都在研究什么

凝聚态

一般来说主流的，占据物理学家中大多数的，都是属于凝聚态，研究内容主要但不限于固体材料，我所听闻比较多的研究是拓扑绝缘体超导量子霍尔效应graphen量子器件半导体纳米材料等这几年特别热门的应该是graphen和拓扑绝缘体。

高能物理

粒子物理之类的都应该归在这个方向吧

弦论什么的。

国内做高能物理理论的以做粒子物理唯象的比较多，就是不太研究引力，主要研究强弱电磁这三种相互作用，和对撞机实验结合。

不过杨老唱衰高能物理，因为现在的观测都符合理论，没有什么新东西了。

量子信息

研究量子加密量子计算量子通讯等

此外因为要在材料上实现量子计算机，所以和凝聚态也有交叉。比如量子器件做量子计算机应该也可以算这个方向又算凝聚态方向。

还有天体物理等等不太了解的方向

拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

15日，中科院院长白春礼发布了中科院在“十二五”期间取得的25项重大科技成果及标志性进展。

这25项成果包括：拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应研究，细胞编程与重编程的机制，量子通信，以粲物理、中微子物理为代表的粒子物理研究，液流储能关键材料与新技术，同余数问题与Langlands纲领问题研究，深紫外晶体器件、激光光源及应用，纳米绿色打印制版技术，真核膜蛋白和蛋白质复合体结构与功能关系，突破钍基核能系统关键技术，神经疾病靶点研究，G蛋白偶联受体（GPCR）药靶研究取得重大进展，大型蒸发冷却水轮发电机，高温超导与纳米材料，分子反应基础与器件，工程金属材料的结构纳米化科学与技术，植物碳氮代谢和性状改良，生物灾害爆发机制与控制，环境污染的健康效应与调控，空间科学先导专项，40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究，甲醇制取低碳烯烃（DMTO）技术，中国生态系统研究网络的创建及其观测研究和试验示范，上海光源国家重大科学工程，超导托卡马克创新研究。

此外，“十二五”期间，中科院在推动和服务经济社会发展方面取得了显著成效，通过科技成果转移转化使社会企业新增销售收入超过1.5万亿元，利税超过2200亿元。