三维拓扑晶体绝缘体是完全不同于拓扑绝缘体的一种新型拓扑材料，其拓扑性质受到晶格对称性而非时间反演对称性保护。最近由理论预测可以在SnTe类的四六族半导体中实现由镜面对称性保护的拓扑晶体绝缘体，并很快得到了美国、日本、瑞典和中国等不同地区的独立实验组的验证，进而成为凝聚态物理领域一个很重要的研究的方向。
在中心成员段文晖教授的指导下，其博士生刘军伟（文章第一作者），与美国麻省理工学院的傅亮教授（文章通讯作者）研究组以及Jagadeesh Moodera教授研究组等合作，结合能带结构计算，k•p模型和拓扑能带分析等研究方法，在拓扑晶体薄膜研究中取得了突破性进展。他们首先将三维拓扑晶体绝缘体的概念推广到二维，提出了由镜面对称性保护的二维绝缘体的新型拓扑相，并证明这种新型的拓扑相可以在SnTe和PbxSn1-xSe(Te)的（001）薄膜实现。这种新型的拓扑材料，其体能带具有能隙，但是在边缘上存在由（001）镜面对称性保护的具有自旋过滤性质的边缘态。更为重要的是，通过垂直于薄膜的电场，就可以破坏体系的镜面对称性，从而在边缘态上产生一个电场调控的能隙。利用这种奇异的特性，此研究提出了一种新型晶体管，称之为拓扑晶体管。在这种晶体管中，电荷输运和自旋输运极大地纠缠在一起，并且可以被外加电场同时调控。由于拓扑晶体管的工作原理与传统晶体管的实现原理完全不同，其开/关状态并不需要实现n型电子和p型电子的复合，因而可以在拓扑晶体管中实现很高的开关速度，同时具有很小的能耗。
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左图：二维拓扑晶体绝缘体受镜面对称性保护的
拓扑边缘态。右图：可以通过外加电场，打开边
缘态的能隙，从而实现电场调控的拓扑边缘态，
为实现拓扑晶体管提供了物理基础。 |
拓扑晶体管的原理示意图 |
该成果以“Spin-filtered edge states with an electrically tunable gap in a two-dimensional topological crystalline insulator”为题发表在2014年2月的Nature Materials [Nat. Mat. 13, 178–183 (2014)]上。上述研究工作得到了国家自然科学基金和科技部“973”项目的资助。
