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低维物理和界面工程实验室在人工低维结构中的Dirac费米子研究方面取得重要进展

2013年初，物理系低维物理和界面工程实验室的钱冬、高春雷、刘灿华特别研究员、贾金锋教授以及美国犹他大学材料系的刘峰教授通力合作，在人工低维结构中的Dirac费米子制备、调控和新量子现象探索方面取得重要进展，研究结果发表在近期的美国科学院院刊(PNAS)和自然通讯(Nature Communications)。

1) 固体中的Dirac费米子具有和和普通费米子非常不同的行为。在石墨烯研究中，Dirac电子表现出奇特的多体相互作用。低维物理和界面工程实验室以博士生苗霖为主的学生们在二维拓扑绝缘体和三维拓扑绝缘体杂化界面态中首次自旋非简并的Dirac电子态中也存在非常奇特的多体相互作用，为拓扑绝缘体研究又提供了一个新的研究道路。研究成果见PNAS，110, 2758 (2013)(http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1218104110)

2) 固体系统中可以用Dirac方程来描述的系统在一个是石墨烯，另外一个就是拓扑绝缘体的表面电子态（电子符合线性色散关系）。当三维拓扑绝缘体的厚度小于一定程度（< 6nm）的时候，上下表面态中的电子就能够进行量子隧穿，最终会破坏Dirac费米子行为，变成普通的费米子。低维物理和界面工程实验室以博士生姚梦禹为主的学生们在第一性原理计算的基础上，利用分子束外延的方法，通过精确控制样品生长，在单个晶胞厚度(1nm)的拓扑绝缘体+0.5nm的Bi这样的人工单晶薄膜中利用界面电场和自旋轨道耦合效应成功的恢复了Dirac费米子。研究结果见Nature Communication, 4, 1384 . (2013). (http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n1/full/ncomms2387.html) or (http://arxiv.org/abs/1301.5377)