开题报告 量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体
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实现磁性的拓扑绝缘体，磁性居里温度可以达到 70K 的量级。通过第一性原理计算和理论 分析，这一磁性原子掺杂体系与一般的稀磁半导体有明显的不同，这里不需要有载流子， 体系仍然保持着绝缘体的状态，且可以实现铁磁的长程有序态。而且由于薄膜中掺杂原子 的自旋极化与强烈的自旋 -轨道耦合，在这一体系中无需外加磁场，也无需相应的朗道能
级，在适当的杂质掺杂浓度和温度下，就可以观察到量子化的反常霍尔效应。这一发现为 低能量耗散的新型电子器件设计指出了一个新的发展方向。
(4) 拓扑绝缘体不破坏时间反演对称性，且其库伯对满足偶宇称，因此它不会由于微小扰 动而使子态退相干，从而导致计算错误，这使得拓扑绝缘体可以用于容错量子计算
课题类型指：理论研究、实验研究、计算机软件设计、工程设计（实践）等。
学家又在量子自旋霍尔效应研究中发现磁性拓扑绝缘体，它的发展前景更好，
应用更广泛。
（1）在拓扑绝缘体中，电子自转方向与电流方向之间存在着确定的关系。不同方向运动的
学 电子互不干扰，从而使能量耗散很低。 拓扑绝缘体的独特性质使其在低能耗电子器件和容 术 错量子计算等领域具有潜在的重要应用价值，有可能对未来的信息技术产生革命性的影响 价 值 （2）若能实现无外加磁场的量子化反常霍尔效应，其边缘态可被看成是一根“理想导线”， 和 不存在由于杂质势而导致的背散射，电阻极低，能耗极小。如果我们能够在现有的电子学 现 技术中利用这种边缘态，将极大的克服 Moore 定律的极限。 实 意 （3）在拓扑绝缘体材料(Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3)的薄膜中通过掺杂过渡金属元素(Cr 义 或者 Fe)可以实现量子化的反常霍尔效应。通过磁性掺杂，借助 Van Vleck 顺磁性，可以
3.2 拓扑绝缘体的应用前期 [1] 翁红明，戴希，方忠* 磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应[J] 拓扑专辑 2014 年 2 月 第 34 卷第 1 期 主 [2] 刘雪梅 霍尔效应理论发展过程的研究 [3] 余睿 方中 戴希 z2 拓扑不变量与拓扑绝缘体[J] 拓扑绝缘体专题 2011 年 要 第7期 [4] 吕衍凤 陈 曦 薛其坤 拓扑绝缘体简介[J] 物理与工程 2012 年 第一 期 [5] 聂素琴 陈泽章霍尔效应的最新发展及应用[J] 科技通讯 2009 年 第 参 二期 [6] 刘雪梅 霍尔效应理论发展过程的研究[J] 重庆文理学院学报( 自然科学 考 版) 2011 年 4 月 第 30 卷第 2 期 [7] 孙再吉 （摘译） 量子自旋霍尔效应———半导体的新状态[J] 文 [8] 中国科学院物理研究所 供稿 拓扑绝缘体的研究取得重要进展 中国科学 基金 2009 年 献 [9] 邓珠平（辑）拓扑绝缘体及其特点简述[J] 宝鸡文理学院学报(自然科学版) 2010 年 [10] 叶飞 苏刚拓扑绝缘体及其研究进[J] 前沿进展 (2010 年) 39 卷 第 8 期 [11] 反常霍尔效应_量子霍尔效应_拓扑绝缘体 百度文库 [12] 盛利 自旋陈数理论和时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应[J] 2014 年 2 月 第 34 卷 第 1 期
附表 1：
课题名称 课题Hale Waihona Puke Baidu型 学生姓名
嘉应学院 15 届 物理 学院 本科毕业论文(设计)开题报告表
量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体
理论研究
指导教师
学号
专 业 物理学（师范）
量子自旋霍尔效应是从 18 世纪 80 年代的 Hall 发现的霍尔效应到后来观
本 测到的整数量子霍尔效应，但因为整数霍尔效应需要外加足够强的磁场和温度 课 足够低，难以在实际中应用，后来科学家发现了量子自旋霍尔效应解决了这个 题 难题，低耗能的理想导体的应用前景，然后引起科学界的研究热潮，2006 年
1、量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体的概念。 1.1 量子自旋霍尔效应的概念； 2.2 拓扑绝缘体的概念；
论 2、量子自旋霍尔效应的发展过程。 文 2.1 霍尔效应的发现以及整数量子霍尔效应态的形成原因； 提 2.2 反常霍尔效应的发现和形成原因； 纲 2.3 自旋霍尔效应的发现和形成原因； 或 2.4 量子自旋霍尔效应与拓扑结构； 设 2.5 拓扑绝缘体的提出和拓扑绝缘体与普通绝缘体的差异； 计 2.6 磁性拓扑绝缘体的研究 思 3、量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的相互关系及应用。 路 3.1 量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的相互关系；
B.A.Berneig 等人研究的能带反转在调控能带拓扑中的重要作用，并用理论预言 研 可以控制 HgTe/CdTe 的量子阱态实现量子自旋霍尔效应。该理论预言也很快被 究 实验所证实，引起了凝聚态研究领域的强烈关注和研究热潮。2009 年 H.J.Zhang 的 等人通过理论设计预言了三维强拓扑绝缘体，后来也在实验中观测到，这个易 现 生长。好处理的理想拓扑绝缘体的材料被广泛用来验证拓扑绝缘体表面态的各 状 种性质。量子自旋霍尔效应的研究成果已经被用于低能耗的电子产品中，而科
指 导 教 师 意 见
指导教师（签名）
教研室主任（签名）
院长（签名）
年月日
级，在适当的杂质掺杂浓度和温度下，就可以观察到量子化的反常霍尔效应。这一发现为 低能量耗散的新型电子器件设计指出了一个新的发展方向。
(4) 拓扑绝缘体不破坏时间反演对称性，且其库伯对满足偶宇称，因此它不会由于微小扰 动而使子态退相干，从而导致计算错误，这使得拓扑绝缘体可以用于容错量子计算
课题类型指：理论研究、实验研究、计算机软件设计、工程设计（实践）等。
学家又在量子自旋霍尔效应研究中发现磁性拓扑绝缘体，它的发展前景更好，
应用更广泛。
（1）在拓扑绝缘体中，电子自转方向与电流方向之间存在着确定的关系。不同方向运动的
学 电子互不干扰，从而使能量耗散很低。 拓扑绝缘体的独特性质使其在低能耗电子器件和容 术 错量子计算等领域具有潜在的重要应用价值，有可能对未来的信息技术产生革命性的影响 价 值 （2）若能实现无外加磁场的量子化反常霍尔效应，其边缘态可被看成是一根“理想导线”， 和 不存在由于杂质势而导致的背散射，电阻极低，能耗极小。如果我们能够在现有的电子学 现 技术中利用这种边缘态，将极大的克服 Moore 定律的极限。 实 意 （3）在拓扑绝缘体材料(Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3)的薄膜中通过掺杂过渡金属元素(Cr 义 或者 Fe)可以实现量子化的反常霍尔效应。通过磁性掺杂，借助 Van Vleck 顺磁性，可以
3.2 拓扑绝缘体的应用前期 [1] 翁红明，戴希，方忠* 磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应[J] 拓扑专辑 2014 年 2 月 第 34 卷第 1 期 主 [2] 刘雪梅 霍尔效应理论发展过程的研究 [3] 余睿 方中 戴希 z2 拓扑不变量与拓扑绝缘体[J] 拓扑绝缘体专题 2011 年 要 第7期 [4] 吕衍凤 陈 曦 薛其坤 拓扑绝缘体简介[J] 物理与工程 2012 年 第一 期 [5] 聂素琴 陈泽章霍尔效应的最新发展及应用[J] 科技通讯 2009 年 第 参 二期 [6] 刘雪梅 霍尔效应理论发展过程的研究[J] 重庆文理学院学报( 自然科学 考 版) 2011 年 4 月 第 30 卷第 2 期 [7] 孙再吉 （摘译） 量子自旋霍尔效应———半导体的新状态[J] 文 [8] 中国科学院物理研究所 供稿 拓扑绝缘体的研究取得重要进展 中国科学 基金 2009 年 献 [9] 邓珠平（辑）拓扑绝缘体及其特点简述[J] 宝鸡文理学院学报(自然科学版) 2010 年 [10] 叶飞 苏刚拓扑绝缘体及其研究进[J] 前沿进展 (2010 年) 39 卷 第 8 期 [11] 反常霍尔效应_量子霍尔效应_拓扑绝缘体 百度文库 [12] 盛利 自旋陈数理论和时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应[J] 2014 年 2 月 第 34 卷 第 1 期
附表 1：
课题名称 课题Hale Waihona Puke Baidu型 学生姓名
嘉应学院 15 届 物理 学院 本科毕业论文(设计)开题报告表
量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体
理论研究
指导教师
学号
专 业 物理学（师范）
量子自旋霍尔效应是从 18 世纪 80 年代的 Hall 发现的霍尔效应到后来观
本 测到的整数量子霍尔效应，但因为整数霍尔效应需要外加足够强的磁场和温度 课 足够低，难以在实际中应用，后来科学家发现了量子自旋霍尔效应解决了这个 题 难题，低耗能的理想导体的应用前景，然后引起科学界的研究热潮，2006 年
1、量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体的概念。 1.1 量子自旋霍尔效应的概念； 2.2 拓扑绝缘体的概念；
论 2、量子自旋霍尔效应的发展过程。 文 2.1 霍尔效应的发现以及整数量子霍尔效应态的形成原因； 提 2.2 反常霍尔效应的发现和形成原因； 纲 2.3 自旋霍尔效应的发现和形成原因； 或 2.4 量子自旋霍尔效应与拓扑结构； 设 2.5 拓扑绝缘体的提出和拓扑绝缘体与普通绝缘体的差异； 计 2.6 磁性拓扑绝缘体的研究 思 3、量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的相互关系及应用。 路 3.1 量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的相互关系；
B.A.Berneig 等人研究的能带反转在调控能带拓扑中的重要作用，并用理论预言 研 可以控制 HgTe/CdTe 的量子阱态实现量子自旋霍尔效应。该理论预言也很快被 究 实验所证实，引起了凝聚态研究领域的强烈关注和研究热潮。2009 年 H.J.Zhang 的 等人通过理论设计预言了三维强拓扑绝缘体，后来也在实验中观测到，这个易 现 生长。好处理的理想拓扑绝缘体的材料被广泛用来验证拓扑绝缘体表面态的各 状 种性质。量子自旋霍尔效应的研究成果已经被用于低能耗的电子产品中，而科
指 导 教 师 意 见
指导教师（签名）
教研室主任（签名）
院长（签名）
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