中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心田明亮研究小組寧偉副研究員通過(guò)細(xì)致研究拓?fù)浣^緣體的磁電阻效應(yīng)與納米線直徑的變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)單晶納米線的表面態(tài)輸運(yùn)隨直徑的減小由二維到一維性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。最新的研究成果：?jiǎn)尉ы诨GBi2Te3納米線中的一維弱反局域化（One-dimensional weak antilocalization in single-crystal Bi2Te3 nanowires）發(fā)表在3月28日國(guó)際期刊《自然》子刊《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）。

拓?fù)浣^緣體是完全不同于傳統(tǒng)意義上的常規(guī)“絕緣體”，它是近幾年才發(fā)現(xiàn)的一個(gè)新物質(zhì)態(tài)。它的體電子態(tài)是有能隙的絕緣體，而其表面則是無(wú)能隙的金屬態(tài)。由于表面電子幾乎沒有質(zhì)量且自旋具有手性，這些奇異性質(zhì)導(dǎo)致拓?fù)浣^緣體材料在量子信息和量子計(jì)算等方面具有極大潛在應(yīng)用前景。國(guó)際上對(duì)拓?fù)浣^緣體的研究主要集中在塊材和薄膜體系，田明亮課題組瞄準(zhǔn)一維Bi2Te3納米線對(duì)拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)進(jìn)行了深入研究，并取得了一系列重要進(jìn)展。如該課題組前期在同一個(gè)單晶納米線上即觀察到平行磁場(chǎng)下的Aharonov-Bohm 量子振蕩，也觀察到垂直磁場(chǎng)下的Shubnikov-de Haas (SdH) 量子振蕩。這些結(jié)果不僅給出拓?fù)浔砻鎽B(tài)的雙重證據(jù)而且實(shí)驗(yàn)給出了表面態(tài)不被表面氧化所破壞的重要信息，這為未來(lái)拓?fù)淞孔悠骷邪l(fā)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

課題組寧偉副研究員在前期工作基礎(chǔ)上利用低溫轉(zhuǎn)角的磁輸運(yùn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)：隨著納米線直徑的減小，其表面電導(dǎo)逐漸增強(qiáng)，量子振蕩更加明顯。而隨著納米線直徑的減小，其低場(chǎng)下表面態(tài)電子退相干長(zhǎng)度隨溫度的變化滿足~T-1/3的關(guān)系，表現(xiàn)出從二維反弱局域化到一維反弱局域化的轉(zhuǎn)變。該研究成果對(duì)深入理解拓?fù)浣^緣體表面態(tài)在一維尺度下的演化，以及拓?fù)浣^緣體納米線與超導(dǎo)復(fù)合器件中可能存在的Majorana費(fèi)米子探測(cè)具有重要指導(dǎo)意義。

該項(xiàng)研究獲得科技部973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目的支持。該研究利用了強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心多功能物性測(cè)試系統(tǒng)（PPMS）、X射線衍射儀（XRD）、SEM/FIB雙束納米加工系統(tǒng)等設(shè)備。

這一結(jié)果對(duì)理論預(yù)言的表面態(tài)螺旋Luttinger的液體行為探索邁出了重要一步，而螺旋Luttinger液體正是人們期待的量子自旋霍爾的邊緣模。

圖1. 不同直徑Bi2Te3納米線電阻隨溫度和磁場(chǎng)的變化

圖2. (a)(c)(e)不同直徑Bi2Te3納米線磁電導(dǎo)隨磁場(chǎng)角度的變化；(b)(d)(f)不同直徑納米線低場(chǎng)表面電導(dǎo)在不同角度垂直分量的歸一化行為。紅色實(shí)線為一維反弱局域化理論模型擬合曲線。