拓撲絕緣體的材料制備和量子輸運特性是近年來國際研究前沿的一個熱點。在眾多拓撲絕緣體材料中，Bi2Se3是拓撲絕緣體家族中一種重要的三維強拓撲絕緣體。拓撲絕緣體納米結構因其巨大的比表面積和增強的表面電導貢獻非常有利于探索拓撲絕緣體奇異表面態(tài)的物理性質(zhì)和開發(fā)拓撲絕緣體在自旋電子學等方面的潛在應用。

　　北京大學物理學院俞大鵬“納米結構與低維物理”研究團隊的青年教師廖志敏副教授帶領研究生在拓撲絕緣體Bi2Se3納米材料制備、量子輸運性質(zhì)和光熱電性質(zhì)等方面取得系列新進展。他們通過化學氣相沉積法可控合成了各種Bi2Se3納米結構，在量子輸運測量中觀測到Shubnikov-de Haas(SdH)振蕩，分析表明存在Berry相位π，這是拓撲絕緣體表面狄拉克費米子的重要特征(Scientific Reports 3，1264，2013);此外，他們在低溫強磁場條件下系統(tǒng)研究了單個Bi2Se3納米片的輸運性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其載流子遷移率高達104cm2/Vs，并且在14特斯拉強磁場下觀察到高達400%尚無飽和跡象的正磁阻效應，揭示了磁電阻與遷移率之間的相互關系(Applied Physics Letters 103，033106，2013);磁輸運測量對于揭示拓撲表面態(tài)的物理性質(zhì)具有重要意義，但是在垂直磁場下，SdH振蕩總是疊加在一個很大的線性磁阻背景上，這為分析表面狄拉克費米子的輸運行為帶來困難，他們通過外加平面內(nèi)磁場，測量到明顯的SdH振蕩，而沒有正磁阻背景，確認了來源于Bi2Se3納米片側面表面態(tài)的量子輸運(Scientific Reports 4，3817，2014)。

　　通過圓偏振光可以選擇性激發(fā)拓撲絕緣體的表面態(tài)，從而產(chǎn)生自旋極化的表面態(tài)，由于自旋方向與動量方向的鎖定關系，樣品中會產(chǎn)生電子定向運動的光電流。Bi2Se3也是一個很好的熱電材料，在非均勻的光輻照下，會產(chǎn)生光熱電效應。最近，該研究團隊協(xié)同創(chuàng)新，與北京大學國際量子材料科學中心孫棟教授、清華大學物理系周樹云教授(ARPES測量)、比利時安特衛(wèi)普大學的G. /V. Tendeloo 教授和柯小行博士(球差矯正電鏡原子分辨結構研究)、北京理工大學吳漢春教授等合作，觀測到Bi2Se3中圓偏振光增強的光熱電效應，該結果有望用于自旋極化的電流源的產(chǎn)生。相關工作以“Topological Surface State Enhanced Photothermoelectric Effect in Bi2Se3 Nanoribbons”為題，在線發(fā)表在Nano Letters (DOI: 10.1021/nl501276e，2014)上，北大物理學院博士生嚴緣為該論文的第一作者。

圖1 上：Bi2Se3納米帶的球差矯正透射電鏡的原子分辨結構圖像以及室溫下測量的角分辨光電子譜ARPES (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e，2014);下：起源于Bi2Se3納米帶側壁(Sidewall)表面態(tài)輸運的SdH振蕩(Scientific Reports 4，3817，2014)

圖2 拓撲絕緣體Bi2Se3中圓偏振光增強的光熱電效應 (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e，2014)

    上述研究工作得到了人工微結構與介觀物理國家重點實驗室、量子物質(zhì)科學協(xié)同創(chuàng)新中心、國家973計劃和國家自然科學基金的大力支持。