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1、物理学与现代信息技术 薛其坤 清华大学物理系 2012年10月30日下午3:20-4:55 qkxue 内容 1. 基本知识/概念 2. 拓扑绝缘体 专业名词 场效应晶体管、巨磁阻、液晶、电子、自旋、原子、 光子、固体、晶体、有效质量、重费米子、石墨烯、 导体、超导体、半导体、绝缘体、拓扑绝缘体、霍耳 效应、反常霍尔效应、量子力学、量子霍耳效应、分 数量子霍尔效应、自旋霍尔效应、量子自旋霍耳效应 、量子反常霍尔效应、电子气、迁移率、漂移速度、 分子束外延、扫描隧道显微镜、时间反演对称性、费 米子、Majorana费米子 1921年诺贝尔 物理奖 1905年：相对论的提出 1920年：量子力学的
2、建立 1953年：DNA的发现 海森保 1932年 薛定谔 狄拉克 1933年 普朗克 1918年 波尔 1922年 二十世纪科学上最伟大的三个科学成就 物理学的发展 第三次工业革命 信息时代的到来 主要标标志：原子能、电电子计计算机和空间间技术术的广泛应应用 涉及领领域: 信息技术术、新能源技术术、新材料技术术、生物技术术、 空间间技术术和海洋技术术 不仅仅极大地推动动了人类类社会经济经济 、政治、文化领领域的变变革， 而且也影响了人类类生活方式和思维维方式 在量子力学基础上 信息时代的四大关键技术 信息处理信息显示信息储存信息传输 信息处理 1940年代后期，三个物理学家Shockley,
3、 Bardeen 和 Brattain发发明了晶体管 (transfer resistor)。三人共享了 1956年的诺贝诺贝 尔物理奖奖。 Noyce和Moore：Fairchild、Intel 1958年，物理学家Kilby发发明集成电电路， 获获得2000年的诺贝诺贝 尔物理奖奖。 硅晶片 “The Traitorous Eight” 信息储存 1988年，物理学家Fert和Grnberg发现了巨 磁阻效应, 导致了信息储存的重大革命。 MP3 U盘盘 Grnberg: Physical Review B (1989) Fert: Physical Review Letters (198
4、8) 将弱小的磁信号变变化 放大为为清晰的电电信号 信息储存 W W Shield Shield sensor N N N N S S S S 电电 阻 小 电电 阻 大 计计算机硬盘盘 磁性材料 磁性材料 非磁性材料 三明治 1960年代，物理学家P. G. de Gennes对液晶 的研究，导致了今天液晶技术的广泛应用 。他因此获得1991年的诺贝尔物理奖。 信息显示 上世纪六十年代，半导体光电子学和超快电子学的 发展，导致了今天信息传输技术的革命，使信息传 输不断向着高速、灵敏和精确的方向迈进。 两名物 理学家Alferov 和 Kroemer 因此获得2000年的诺贝尔 物理奖。 信息
5、传输 高速移动通讯/卫星导航的革命 八十年代，科学家利用半导体砷化镓制造出 “两维电子气”。 1980年，Klitzing发现整数量子霍尔效应，1986年诺贝尔物理奖 ； 1982年， Stormer和崔琦发现分数量子霍尔效应，因而获得 1998年诺贝尔物理奖。 高速数字集成电路 高速静态随机存储器 微波低噪声放大器 低温电路 功率放大器 微波振荡器 固体中的电子 1023-body problem 近自由电子近似（金属） Drude Model ： 价电子脱离了金属原子的离子， 变得完全自由，成为电子气。 不考虑电子-电子相互作用(类似理想气体 ） Blochs 定理 （考虑晶格的周期势场作
6、用） 电子像真空中的自由电子一样运动， 但有效质量发生变化。 原子间距离很小，相邻原子的轨道交叠程度很大。 Drude-Sommerfeld Model: 量子力学的Fermi Dirac统计统计 自由电子(m, e)：E=mV2/2=P2/2m 固体材料中的电子(e, m#)： 近自由电子近似：E=(K)2/2m# E K2 (P = hK) 抛物线型的 能量色散关系 有效质量m*：一般是个张量（晶体各向异性） 大小：0.01 到 10 me 很大时 (1000): 重费米子系统 很小时 (0)： 石墨烯、拓扑绝缘体 对各向同性系统（靠近能带极小值）： m* h2 d2E d2k 问题 E
7、K （P = hK） 线型的能量 色散关系 K E 光: E = cp 霍尔效应 (Hall Effect) B 电流方向 罗仑兹力： F=eVB + + + + + + + VH (1879年发现) 霍尔效应 (Hall Effect) 罗仑兹力： F=eVB B 电流方向 + + + + + + + VH (1879年发现) . = ne d = E电电子飘飘移速度 ： 导电导电 率： VH (迁移率) 单单位： cm2 / V s cm/s V/cm 有质量的两维电子气 （极低温磁场） 整数量子霍尔效应 （1985年诺贝尔物理奖） 分数量子霍尔效应 （1998年诺贝尔物理奖） n e2
8、h n 1, 2, 3, n 1/3, 2/5, 3/7, Integer Quantum Hall Effect PRL 45, 494(1980) Klitzing (1985 Nobel) (1998 Nobel) LaughlinStormerTsui PRL 48, 1559(1982) PRL 50, 1395(1983) GaAs MOS FET Fractional Quantum Hall Effect Si MOS-FET 量子霍尔效应 (Quantum Hall Effect) 量子霍尔效应 (Quantum Hall Effect) Si GaAs AlGaAs (Si
9、) von Klitzing 1985 Nobel 1998 Nobel LaughlinStormer Tsui 整数量子霍尔效应 分数量子霍尔效应 两维电子气 SiO2 RK = h/e2 = 25,812.81 GaAs AlGaAs GaN AlN InAs GaAs ZnO ZnMgO 霍尔态的顽强精神：不管它的电子的来源，不管是在哪种材 料形成的 量子霍尔效应 拓扑性质 半导体中的两维电子气 电子的迁移率：每秒10万米 (在1伏/厘米的电场下) 场场效应应晶体管 GaAs 100nm=10-5cm 10-12秒 比较： 每秒1米 (Si) “for groundbreaking e
10、xperiments regarding the two-dimensional material graphene” Nobel Prize in Physics 2010 Andre GeimKonstantin Novoselov University of Manchester UK 0.4纳米 Graphene : Dirac Fermions in 2D石墨烯的电子结构 vF c /300 kx ky Energy 二维无质量的狄拉克费米体系！ K E Single Layer Graphene Device 20 m 60,000 cm2/Vs le 100 nm Room Te
11、mperature Si 1,400 cm2/Vs 高迁移率高速数字集成电路 高频器件/微波振荡器 K. S. Novoselov, A. K. Geim et al., Yuanbo Zhang, Yan-Wen Tan, H. L. Stomer Molenkamp Science 2007) 正常绝缘体 拓扑绝缘体 Science杂志：2007年十大科学进展 g=1g=2g=3g=0 对拓扑绝缘体来讲，其性质与其能带拓扑结构有关 ，与具体细节无关。 “量子科学与技术”跨学科研究中心 揭牌仪式: 2012年9月10日 中心主任：薛其坤 共同主任：张首晟 学校投入经费： 5000万 斯坦福大
12、学教授 清华大学高等研究院教授 中央组织部“”学者 张首晟 Molecular Beam Epitaxy-Scanning Tunneling Microscope (分子束外延扫扫描隧道显显微镜镜) Ga As4Se4 Fe tip sample A MBESTM 诺贝尔物理学奖1986 透射电电子显显微镜镜与扫扫描隧道显显微镜镜的发 明 “看到”原子 扫描隧道显微镜的仪器示意图 z y x 距离1纳纳米 I = A e (-d) 量子隧穿 GaAs(001) 表面的扫描隧道显微镜照片 Xue et al. Phys. Rev. Lett. 74, 3177 (1995) 美国IBM Alm
13、aden 研究中心的Eigler博士 由35个氙原子组成的 IBM字符 50A 利用扫扫描隧道显显微镜镜的原子操纵纵 QUANTUM CORRAL (量子围拦围拦 ) Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden) 48个铁铁原子 FeFe原子距离：0.94nm 圆环圆环 直径：14.3纳纳米 Quantum Corral (量子围拦) Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden) 2007年3月12号 分子束外延 + 极低温强磁场扫描隧道显微镜的 超高真空联合系统 工作温度: 30 mK （室温：300K） 磁场: 15 特斯拉（地球磁场:10-
14、5） 真空: 5x10-11 乇 （大气：） MBE cryostat STM 拓扑绝缘体Bi2Se3 (Bi2Te3)薄膜: 一个原子层一个原子层的分子束外延生长 Si wafer 反射式高能电子衍射图样 实时的高能电子衍射的强度振荡 Bi2Te3 薄膜: 原子级平整、无缺陷 16 nm x 16 nm Te atom Y. Y. Li et al., Adv. Mater. (2010) G. Wang et al., Adv. Mater. (2011) X. Chen et al., Adv. Mater. (2011) kx ky E EF Bi2Te3 薄膜的电电子结结构 0.0
15、0.1 0.2 Bi2Te3 Si “intrinsic” Conduction Band Valence Band EF Bi2Se3 薄膜：原子级平整、无缺陷 200 nm x 200 nm Zhang et al., Nat. Phys. 2010 Xue, Nat. Nanotechnol. 2011 Zhang et al., PRL 2009 Cheng et al., PRL 2010 Jiang et al., PRL 2010 Bi2Se3 原子分辨 STM照片 Bi2Se3 薄膜的电子结构 -120mV Y. Zhang et al., Nature Physics 6, 584 (2010) 50 QL Xue et al., Nat. Nanotechnology 6, 197 (2011) 拓扑绝缘体基本物理性质的实验验证 无质量狄拉克费米子 强关联效应和磁性量子相变 Zhang et al. Nat. Phys. 6, 584 (2010) Z
