物理系-刘军伟问答在线视频

我先问几个问题

第一个问题就是说

你的二维的

就是拓扑晶体绝缘体

这个设想当然挺好

但我问这个二维的薄膜

它的表面是什么样的

你的表面怎么处理

您说它的表面是不是

对

表面结构对吧

对

因为您看这个结构的话

对这是个很好的问题

它001表面的话

每个层上既有Sn又有Te

而且是一比一的

这个意味着它是电中性的

所以说一般是不太受影响

对是比较稳定

而且的话,实验上

也确实观测到

很平整的表面

如果用MBE生长的话

第二个问题就是说

你现在拓扑晶体绝缘体

它的晶体对称性这个很关键

对对对

但是你很多材料恰恰要用的话

都要p型掺杂

n型掺杂

对

我不知道你这种

就是有多少robust

对于掺杂来讲

掺杂到一种什么程度

它就破坏了

掺杂到什么

什么程度还是可以容忍

因为这个问题

是个特别好的问题

这个要分情况来说

假如说对三维来说

对于三维来说如果你

就是我们这个虽然说

需要镜面对称性

但是如果镜面对称性

我们只需要宏观的晶体对称性

如果你是合金材料的话

我们说这种对称性是总有

总是在的

所以说你不会出现这个

就说你的表面还是导电的

但是如果你说

你有一个团簇

局域地把这个对称性

给破坏掉

但你可以想像的到

就说你这块破坏掉

旁边不一定破坏掉

所以说整个表面的话

您去仔细分析的话

它还是可以实现导电

是三维情况下

在二维情况下的话确实

如果我们比如

加一个衬底的话

就会破坏这种上下对称性

当然这种对称性的破坏的话

就会

它的影响

它不会把整个这个phase

给杀掉

只是说它会像电场一样

在边上打开小的能隙

而这种能隙的话

就说对我们来说

就说我想强调一点

就是说对拓扑晶体绝缘体来说

它没有那么robust

但正因为它没有

那么robust

所以才导致我们

可以用不同手段去调控它

所以实现应用

还有一个问题就

我觉得你这个

二维拓扑晶体绝缘体

晶体管

实际上你在谈晶体管

很少有那种放大

或者控制这种功能

只是通跟断

对对对

就是我们

真的是

虽然我们

这个还没有

没能够实现

那个晶体管的放大功能

但是至少我们现在可以实现

在开和关的功能

就是可以

我们叫拓扑绝缘

拓扑开关之类的

另外一个问题

你刚才说那个加应力

你的应力

是流体静压力是吧

我的应力是

单轴应力还是

单轴应力

单轴应力

单轴应力

对

那单轴应力可以

可以来调

调节你的拓扑绝缘体

或者是正常

对

你刚才说的这种转变

但我现在反过来

现在很多问题

很多拓扑绝缘体

往往是带隙太小

对

你应该说我通过这么加strain

然后使它gap增大

保持它的拓扑性

你觉得这个可能性怎么样

这个问题特别好

就是说您看一下就是说

如果不加strain的话

这个能隙是在这里

如果你加上strain它的能隙

其实翻转的能隙

一直往上走

就是说

就是说您可以是

既可以调控它变成拓扑绝缘体

也可以让这个翻转能隙更大

或者您看这个图更明显

就说它在这个临界相变时能隙很小

但你加上应变的话

你看它总的能隙就变得很大

所以是完全

就说它既可以实现拓扑相变

又可以调节拓扑绝缘体

本身的性质

那还接下来一个问题就是

你这里加一个strain

都是比较

有的是10%以上的

你觉得比较现实的

strain的上限是多少

我觉得这个和不同材料有关

对于这种材料来说

这里没有

不好意思这里没有晶格结构

这种材料的话

是这种层状结构

层与层之间是范德瓦尔斯力

所以在这种材料里

我觉得实现10%左右

是没有问题的

然后对于二维薄膜材料

比如像graphene这类材料它们

或者二硫化钼这些材料

它们实际上

也能实现10%左右

但是这些传统的

比如说我之前那个

氯化钠结构的

它 我觉得能到百分之二 三

可能就差不多

对 这要依赖于材料的性质

关于那个拓扑那个晶体管

你刚才谈了很多优点

对

就是包括它的这个电导

便于控制

或者是能带本身这些来

它如果真正要实现

你这个拓扑晶体管

它有什么

就说目前这个比较好的

一个什么

缺点

缺点

它最主要的缺点其实

它有一个比较大的

缺点在什么呢

就是我们普通材料是

整个二维体系都在导电对吧

但是在这种里边的话

它只有边缘性导电

它电流会比较小

这是它最主要的一个缺点

但是这种缺点

也不能说是不可克服

因为我们可以说这种二维

就是用层状材料

这种结构来实现

就说一层是拓扑晶体绝缘体

一层是普通绝缘体

一层是拓扑晶体绝缘体

这样我们垒成一个

三维的这种结构

这样的话

就可以线性地增大这个电导

就说他目前最主要的是

因为他电导太小

这样的话就只能实现逻辑开关

而不能实现真正的电流

或者能量的传输

就我个人觉得

这是它最大的问题之一

我来跟你讨论

你说

讨论两个问题

你这个工作做得非常好

那从我们那个

实验科学角度来讲

一般一些量是可测的

那个拓扑绝缘体那个Z2

那个数是不可测的

是一个理论的

对对对

因为你对这个理论预测

是不可测的

和我们实验测不了

而预测这个值 Z2值

和我们实验根本测不了

你怎么来看这件事

对这个拓扑绝缘体的

那个future application你是怎么看

就是说是这样的

我们用Z2或者Chern number

这样的拓扑不变量

其实是表征这个材料

是否具有拓扑态

但是真正的物理上的

东西是什么呢

就像拓扑的核心就是说

它体是

比如像这个它conduction bands

体是绝缘的

但它边缘上会有导电态

就说它的核心就是这样子

这样的话我们怎么去测量

它是不是呢

比如说对拓扑晶体绝缘体来说

我们就

首先来说

如果它是一个普通材料

普通的绝缘体

我们去测它电

电导的话

它是零

就是极限情况下

但这种的话

如果你有边上

有边的话它就不是零

就我们二维上可以测这个电导

然后三维情况下

我们可以测它的表面态

就像我之前

我后面所预测一样

我后面不是一直

在预测这种表面态嘛

就说它本身是一个绝缘体

但它表面态一定是导电的

而这种导电

一定是受拓扑保护的

就是说

一般的普通像这种

并不能把这个导电态给杀掉

所以说我们

像三维上我们最常用的方法

就是用ARPES

来测量这个band structure

可以看到一个线性色散关系

像我们被实验验证的一样

二维上最主要的手段的话

二维上的手段不是很多

二维上实验做…比较难

二维上的话就像

这最开始的文章一样

它们会测量这个电导

它们就是在一定条件下

会实现这种量子化的电导

在三维上

它们有这样的Dirac锥

就说它的这个

这样是有体现的

然后你要想问得更仔细一下

比如Chern number

Chern number其实是有明确的

物理意义的

就说Chern number不仅是一个数

这个数有明确物理意义

这个数的大小就意味着

霍尔电阻的大小

而这个所谓的符号

就意味着你的边缘态

是左转还是右转

第二个问题是

你刚才所说那个锡碲

锡碲它是

你是一个ideal的

是一个理想的一个氯化钠

这个没有任何的distortion对吧

其实这个材料

在低温下是有distortion的

对我就是跟你讨论一下

因为它是

这种理想状态

它实验上很难实现的

对

比如说上面这个锗碲

你有没有想过这个锗碲

它有没有跟锡碲

类似的这种拓扑绝缘性

就是这样子

就是说

这个图

您看一下比如铅碲

的话你会看到它不是

这个SnTe它是

您怎么来实现它是不是呢

您加应变

您加应变把这个

缩小到和它一样的话

其实到这里就可以实现

它这个拓扑转变

而你怎么加应变

有很多种方式

一是你直接加静水压

二是你通过掺杂

掺小的元素进去都可以

或者掺更重的元素都是

这个

你这个加应变是

要加到多大的

一般才能实现

这个的话不好说

这个实际上这个的话

它是6.55到6.5就可以实现

就是0.05个Angstrom

就是…这么大

但是有时候计算上

不一定完全可以给出可靠的结果

因为我主要是实验

做实验的

所以我觉得就是

从一个实验角度来讲

你要这个材料可以用

可以有application的话

我们要能够实现它

那么你加这个

比如说无论是静水压

还是单方向的strain

那如果来实现

你有没有考虑过

对我们其实

现在正在做一些工作

就是怎么把这个PbTe

变成一个拓扑晶体绝缘体

其实一个很好的现象就是

如果这种薄膜的话

它很有可能就是变成non-trivial的

就是做成薄膜的话

很可能就可以

就是它薄膜有一些

另外相互作用在里边

就是说

因为那个文章没有写完

所以正在整理之中

刚才

而且你要考虑这个…的话

就说你的锡碲

它是都有…

两个都是S2P2

对对对对

它有两个

对对对

那么它肯定引入一些distortion

对

那么这些微小的distortion

对你这个拓扑绝缘性

有没有影响

你有没有考虑过

这个被别人研究过

就是我引的这篇paper的话

他研究过

他研究这个distortion

对这个物理有什么影响

他发现这个

因为这个通常

一般沿111方向进行

而111方向会把这个

本来Dirac cone有四个

其实把两个的mirror对称性给破坏了

另外两个保留

所以说如果你有distortion的话

你的表面态会形成

既有无质量狄拉克锥

又有有质量狄拉克锥

这样的话他们测磁场的话

就有这样的效应

会发现他会由三条不同的

这种不变的点

又有两个能级

然后一条对应零能隙的

它是这种无质量的狄拉克锥

然后一种是有质量狄拉克锥

就是形成这样子的

所以他们是研究过这样的问题

就说如果你是一个

随机的这种distortion的话

它会把所有的能隙全打开

如果是在这个实际材料里

发生111方向的话

会把

111方向会把这个平行111方向的

这个mirror给破坏掉

所以说这两个能隙打开

然后垂直111方向的

两个不会打开

这样的话就是既有有质量

又有无质量的

就是你现在研究这个题不是

二维的你对它的热电应用怎么样

前景有什么估计呢

我师兄最近有一篇工作

就是来

我知道我知道

对他就是来

来研究这个拓扑晶体绝缘体

就是拓扑现象中这种材料尺寸

以及这个长度、宽度对热电性质影响的理解

但是因为我个人没有具体做

所以不好有很强的评论

好 那我们时间关系

我们就到这了

好 刚才我们答辩委员会

各位委员讨论了你的答辩情况

大家都这个

你的答辩很好

下面是我们的决议

拓扑绝缘体的实现

和调控及其应用

是当前凝聚态物理的

前沿问题

该论文基于第一性原理计算

紧束缚模型计算

和K.P微扰理论

深入研究了拓扑晶体绝缘体

及拓扑绝缘体的材料实现

以及其在电场

和应变下的响应

取得了以下的创新性成果

第一发现三维拓扑绝缘

三维拓扑晶体绝缘体

依赖于表面取向

存在两类有着定性区别的

受镜面反演

对称性保护的表面态

并预测了它们的性质

二提出了二维

拓扑晶体绝缘体的概念

并预测可以在SnTe（001）薄膜中实现

此类材料具有

由镜面对称性保护的

导电边缘态

其能隙可以被外加电场控制

基于此提出了

可能实现高开关速度的

拓扑晶体管

三发现SnTe

拓扑晶体绝缘体的111薄膜

可以实现电场

和层厚调控的

量极自旋霍尔效应

四发现许多窄能隙半导体

可以通过应变来实现

普通绝缘体到拓扑绝缘体转变

因而可以利用应变

来使发现新的拓扑材料

以及更好地实现

拓扑材料的实际应用

认为选题新颖写作规范

思路清晰内容丰富

数据详细分析合理

反映出作者

具有扎实的物理基础

和专业知识

以及独立从事研究工作的能力

答辩过程表述清楚

回答问题正确

答辩委员会经过讨论后

投票表决

一致同意通过论文答辩

认为是

这是一篇优秀的博士论文

建议授予刘军伟

理学博士学位

谢谢您了