中美科研人员合作在拓扑绝缘体研究中取得突破

　　拓扑绝缘体是目前凝聚态物理的前沿热点问题之一。它具有独特的电子结构，它在体内能带存在能隙，表现出绝缘体的行为；表面或边界的能带是线性的无能隙的Dirac锥能谱，因而是金属态。这种量子物态展现出丰富而新奇的物性，如量子自旋霍尔效应、磁电耦合、量子反常霍尔效应等。由于这种新奇的物性源自自旋轨道耦合，因而目前所知的拓扑绝缘体都是含有重原子的窄能隙半导体体系，如HgTe,Bi2X3（X=Se,Sb,...)和Heusler合金等材料。这两个约束极大地限制拓扑绝缘体家族的扩展，而这些材料不够成熟的生长制备工艺则阻碍了拓扑绝缘体潜在的器件应用。

　　最近，中国科学院半导体研究所常凯研究组和美国加州大学圣巴巴拉分校Van de Walle小组M. S. Miao博士合作，从理论上证明利用GaN/InN/GaN半导体异质结界面的极化电场，可以将InN薄层驱动到拓扑绝缘体相。GaN/InN/GaN系统是应变的异质结系统，强烈的应变引致的界面极化电场导致InN的能带反转，同时产生强烈的Rashba自旋轨道耦合，导致拓扑绝缘体相的出现。这是首次打破窄能隙和重元素的限制，在常见的半导体材料中发现拓扑绝缘体相，该工作对拓展和探索新的拓扑绝缘体，及其开展介观器件的研究具有重要的意义。

　　文章发表在Phys. Rev. Lett. 109, 186803(2012)。该项工作得到了国家自然科学基金委和科技部的经费支持。