东京大学和美加州大学欧文分校成功将石墨烯变成拓扑绝缘体

日本东京大学物性研究所与美国加利福尼亚大学欧文分校组成的一个研究小组，成功将二维的碳晶体石墨烯转化成了名为“拓扑绝缘体”的特殊状态。

石墨烯是由碳单质构成的片状二维物质，只有一个原子的厚度，因导热性和导电性高，作为新一代电子元器件材料广受关注。另一方面，拓扑绝缘体状态在自旋电子学领域的应用备受期待。要想形成拓扑绝缘体状态，需要自旋与轨道之间产生强烈的相互作用，但石墨烯的构成原子非常轻，因此自旋与轨道的相互作用很小。

此次，研究小组在石墨烯上微量散布由铋和碲等重原子组成的超小颗粒，利用量子隧道效应成功导入了自旋轨道相互作用，通过控制从外部施加的电压，形成了拓扑绝缘体状态。研究小组通过导电性测量和状态密度测量确认了这种状态。此外还利用第一性原理计算进行验证，首次确认石墨烯变成了拓扑绝缘体。

相关成果2018年11月9日发表在美国的科学期刊《Science Advances》上。

图1左：样品的示意图。黄色长方形表示钛和金电极。六边形图案表示石墨烯部分（实际的六边形晶格的单边长度为0.14纳米）。

图1右：在电极1和2之间通过恒定电流，测量电极3和4之间的电压计算出的4端子电阻是针对栅极电压的测量结果。红线和蓝线是在室温（300K，蓝线）和低温（1.5K，红线）下对散布了微颗粒的样品进行测量的结果。栅极电压为17.5V左右时形成拓扑绝缘体状态。插图在样品的扫描探针显微镜照片中记入了电极编号。

图2：本图为低温扫描探针显微镜的测量结果。横轴是向探针施加的电压，纵轴是差分电导率，表示其能量中存在多大浓度的电子。从图中可以看出，当石墨烯变成拓扑绝缘体状态时，如蓝线所示，在表面散布的微颗粒附近，产生了几乎不存在电子的能量区域（能隙），但在样品边缘附近，如红线所示，能隙正好闭合，形成了螺旋边缘状态。