彭海琳：拓扑绝缘体：基础及新兴应用

来源：科学出版社

作为一种全新量子物态，拓扑绝缘体的发现被认为是继石墨烯之后的“Next Big Thing”。拓扑绝缘体对基础物理的理解和半导体器件的应用都有巨大的价值，因而逐渐成为凝聚态物理和电子学领域的研究热点，受到全球科学家关注，以期解决摩尔定律即将失效的难题，突破能源、信息等领域面临的瓶颈。经过数十年的深入研究，拓扑绝缘体在理论基础、材料体系、制备方法、物理性质、新型应用拓展等方面取得了显著进步。从红外到太赫兹频段的超宽频响应使拓扑绝缘体在微电子、光电子及自旋电子学等方面具有令人瞩目的应用前景。由此，系统总结拓扑绝缘体国内外最新的研究成果，对推动其实际应用至关重要。

电子学和微电子学在20世纪取得了重大成就。近几十年来，以半导体场效应晶体管为基本结构单元的大规模集成电路技术突飞猛进、日新月异，使人类进入信息时代。随着计算机技术的发展，支配计算机领域的摩尔定律已经逐渐失效，其不得不迫使摩尔定律之后计算机领域发生转变和变革。传统半导体材料的微电子学的发展，仅仅利用了电子具有电荷这一特征，并未涉及电子的另一特性——自旋。然而，基于拓扑量子材料的自旋电子学是利用电子的自旋特性进行信息的存储、传递与处理的一门新兴学科，其核心在于自旋相关导电，即电导或电阻随导电电子自旋而异（图1）。将电子自旋引入电子学增加了电子运动的维度，丰富了电子学的内容，使电子学和微电子学发生了很大的变化，可从根本上改变芯片的设计改变目前的计算框架。拓扑绝缘体就是拓扑量子材料的一种，其可替代传统硅，在量子计算机中具有巨大的潜在应用价值。

拓扑绝缘体是一种具有强自旋轨道耦合作用的新兴量子物质态，其内部为存在能隙的绝缘态，电子能带结构具有与传统绝缘体类似的体相带隙；而在表面或边界则是受材料本征性质的拓扑保护且自旋劈裂的表面电子态（无能隙的金属态），呈线性色散、受时间反演对称性保护（图2）。拓扑绝缘体奇特的边界/表面态，导致电子输运时自旋与动量锁定，受到时间反演对称性的保护，且不会被非磁性杂质背散射，因此是自旋输运的理想“双向车道”的高速公路，在自旋电子学、低功耗电子器件以及量子计算机等领域有着广泛的应用前景。除此之外，拓扑绝缘体独特电子能带的拓扑性质使其表现出奇特的物理性质，与量子霍尔效应、量子自旋霍尔反应和量子反常霍尔效应等领域紧密相连，也将使得实验上观测到科学家们一直寻找的Axion、Majorana费米子成为可能。因此，拓扑绝缘体材料体系迅速成为了凝聚态物理及材料领域的研究热点，引起了国际学术界的广泛关注。

通常而言，对一种新型材料持之以恒的关注和探索很大程度上源自其应用牵引。近些年，拓扑绝缘体从理论到基础实验对其新颖物理特性的研究取得了一系列突破性的进展，展现出巨大的应用潜力，为后续走向实际应用提供了诸多新的可能性。例如，基于拓扑绝缘体电子自旋与动量的锁定、极低的耗散，以及量子自旋霍尔效应，可研制应用于未来信息存储和量子计算的自旋电子器件、倍频器、数字存储、光电子器件，以及高速无损耗电信号传输与芯片互联结构等。拓扑绝缘体有基础研究到功能器件的快速发展，为实现其实际应用奠定了坚实的理论与技术基础。

拥有“电子高速公路”的拓扑绝缘体将进入应用阶段（图3），其在量子计算机中具有巨大的潜在应用价值，有望解决摩尔定律即将失效的难题，实现半导体功能器件领域的变革性突破。故而，我们有必要对拓扑绝缘体材料体系和功能器件应用的研究进展和发展趋势进行全面、系统的总结回顾，推动拓扑绝缘体未来功能化应用。

《拓扑绝缘体：基础及新兴应用》一书正是在此背景下撰写而成，本书力求以最新内容，结合国内外最新的研究成果与技术，全面、系统阐述拓扑绝缘体的物理特性及其在信息能源等领域中的应用。内容涵盖了拓扑绝缘体从理论基础、材料体系、制备方法、物理性质、新型应用等各个领域；并对拓扑绝缘体自旋电子器件、纳电子器件、光电器件、透明导电薄膜、热电转化等重要功能器件进行了详细介绍。作为拓扑绝缘体领域的第一部中文论著，涵盖面广，由浅入深，能反映拓扑绝缘体领域最近的研究全貌。相信本书的出版对拓扑绝缘体在能源、电子、信息等诸多领域的研究具有重要推动意义和学术参考价值，其也可以作为从事相关领域研究的科研工作者的参考书目。

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