物理學院廖志敏課題組在拓撲量子輸運方向取得系列進展

拓撲量子輸運是研究新穎量子物態的重要手段，也為拓撲材料應用於電子、光電子器件奠定基礎。近期，北京大學物理學院廖志敏課題組在低維拓撲材料電子輸運與器件效應研究的前沿領域取得了系列重要進展。

廖志敏課題組率先實驗發現了狄拉克半金屬Cd₃As₂中外爾費米子手性反常導致的負磁電阻效應【Nature Commun. 6, 10137 (2015)】、Berry相位調製的表面態Aharonov-Bohm量子振蕩【Nature Commun. 7, 10769 (2016)】、拓撲表面態與體態的Fano量子幹涉效應【PRL 120, 257701 (2018)】、起源於拓撲表面態的量子霍爾效應【PRL 122, 036602 (2019)】、拓撲半金屬表面態的自旋輸運特性以及自旋極化電流的柵壓開關效應【PRL 124, 116802 (2020)】。

柵壓調控拓撲相變以及自旋極化電流開關

廖志敏課題組進一步構築了拓撲半金屬-超導體約瑟夫森結，發現了4π周期的超導電流以及Majorana零能模【PRL 121, 237701 (2018)】；實現了拓撲表面態超導電流的磁場和柵壓調控，揭示了軌道幹涉效應導致的超導臨界電流隨面內磁場的周期性振蕩效應【Nature Commun. 11, 1150 (2020)】；實現了一維拓撲稜態傳輸的超導電流，提供了higher-order拓撲半金屬量子態的輸運佐證【PRL 124, 156601 (2020)】。

利用不同通道（三維體態、二維表面態、一維稜態）的相位相干長度的差異，增大樣品尺寸實現一維拓撲稜態（hinge states）的超導電流輸運

這一系列深入系統的工作有力地推動了狄拉克半金屬量子輸運領域的發展。廖志敏課題組應ACS Nano編輯邀請，撰寫了綜述論文「Topological Semimetal Nanostructures: From Properties to Topotronics」【ACS Nano DOI: 10.1021/acsnano.9b07990 (2020)】，總結了拓撲半金屬納米結構從物性到拓撲電子學的重要進展，並展望了其在光電探測、自旋電子學、拓撲場效應電晶體、拓撲量子比特等方面的潛在應用。

拓撲半金屬在後摩爾時代新型器件中的可能應用

該系列工作是課題組近五年幾屆研究生持續研究的結果，包括已經畢業的王禮先博士、李彩珍博士、林本川博士、王碩博士，在讀博士生王安琦、鄭文壯以及本科生葉興國等；主要合作者包括北京大學/南方科技大學俞大鵬院士、荷蘭Twente大學Chuan Li教授與Alexander Brinkman教授等。

上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、科技委創新特區、介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、量子物質科學協同創新中心等支持。