物理所等发现拓扑绝缘体电子退相干新机制

　　固态系统的量子输运性质与电子的波动性密切相关。在低温下，电子波能在很长距离上保持相干性，波的干涉带来了丰富多彩的介观物理效应，如Aharonov-Bohm效应、Altshuler-Aronov-Spivak效应、普适电导涨落和弱局域化效应等。研究材料中的电子的退相干机制不仅有助于深入理解量子输运性质，而且对利用波的干涉性质探索新奇准粒子和进一步进行量子信息处理也至关重要。

　　三维拓扑绝缘体（以下简称拓扑绝缘体）是在2008年才被实验确认的一类重要的拓扑量子材料。因其体能带的拓扑性质，拓扑绝缘体的表面上存在着受对称性保护的无能隙电子态。表面态电子构成了一个螺旋性二维狄拉克电子系统，其自旋和动量方向保持锁定关系。这种独特的电子结构导致拓扑绝缘体表面态具有许多有趣的量子输运性质，并引起了世界范围的广泛研究兴趣。尽管已有大量实验研究，但由于样品质量和测量等多种原因，不同实验小组在退相干方面的实验结果不尽相同，这导致人们还不能对拓扑绝缘体表面态电子的退相干机制形成定论。

　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）纳米物理与器件重点实验室的李永庆研究组利用在拓扑绝缘体薄膜生长、器件制备、栅压调控和量子输运研究方面的多年实验积累【PRL 105, 176602 (2010)； PRB 83, 241304(R) (2011)； PRB 88, 041307 (R) (2013)； PRL 114, 216601 (2015)】，系统地研究了三维拓扑绝缘体中的电子退相干现象。该小组使用具有顶栅和底栅的器件，同时把(Bi,Sb)2Te3薄膜上下表面的费米能级从体能带调到带隙之中，并能跨过狄拉克点。在这种双栅器件中，不仅能够连续调节体电导的大小，并能实现上下表面脱离耦合的量子扩散输运。他们利用反弱局域效应带来的负磁电导，测量了不同栅压、温度和薄膜厚度的电子退相干速率，并观察到当薄膜的体态导电时，电子退相干速率对温度有线性依赖关系，这与传统二维电子系统中由电子-电子相互作用导致的Nyquist退相干机制相符合。该小组还发现，当体态较为绝缘并且表面态输运占主导时，电子退相干速率呈现出亚线性的温度幂次依赖关系，即\(τ _{-1}^{\phi }\propto T^{p},p=0.45-0.60\)。为了解释这种反常的温度依赖关系，他们提出了拓扑绝缘体表面态电子退相干的一个新机制：即在补偿掺杂的拓扑绝缘体中，由于体能隙较小，会形成纳米尺度的电子和空穴液团，电子在这些电荷液团间的非弹性散射过程不仅造成了低温下占主导的变程跃迁，并且会大大缩短电子的位相相干长度。实验观测到的亚线性温度依赖关系可以通过表面态电子与这些局域化的电荷液团之间的耦合加以解释。

　　这个工作的实验部分由中科院物理所和清华大学物理系/低维物理国家重点实验室的薛其坤-马旭村-何珂研究组合作完成，该组的博士欧云波生长了实验所需拓扑绝缘体单晶薄膜，中科院物理所博士生廖剑承担了器件制备和电子输运测量工作。北京师范大学博士刘海文参与了理论解释。该工作得到了国家自然科学基金（项目批准号61425015, 11374337, 11325421, 11674028 & 91121003）、科技部国家重大基础研究(“973”)计划（项目批准号2015CB921102, 2015CB921001 & 2012CB921703）、国家重点研发计划（项目批准号2016YFA0300600）和中科院先导B类专项等项目的支持。这一成果近期在线发表于《自然-通讯》（J. Liao, Y. B. Ou, H. W. Liu, K. He, X. C. Ma, Q.-K. Xue, and Y. Q. Li, Nature Communications 8, 16071 (2017)）。

图1: 拓扑绝缘体化学势和输运性质的双栅调控。左图为纵向电阻率(上)和霍尔系数(下)随顶栅电压(VT)和低栅(电压VB)的变化情况。右图为一定顶栅电压下二者对低栅电压的依赖关系。电阻极大值和霍尔系数变号近似地对应于费米能级穿过狄拉克点。栅压调控可以把样品从体态导电（内嵌左图）调节到表面态输运占主导(内嵌右图)。

图2: 拓扑绝缘体电子退相干速率随温度的变化关系及微观机制。上图显示：当费米能级处于体价带之中时，退相干速率随温度线性变化（左）；当费米能级调至体带隙之中时，退相干速率则呈现出亚线性的温度依赖关系(右)；温度范围约为0.1~10 K。下图展示在体态较绝缘的拓扑绝缘体中电势涨落导致的电子和空穴液团(左)以及电子在这些电荷液团之间的变程跃迁以及在表面态与这些局域体态之间的散射过程（右）。