我校物理学院在Bi2Te3样品拓扑输运与Cu原子扩散团簇机制方面取得新进展，他们的研究论文《Cu掺杂的Bi2Te3晶体的拓扑传输和原子隧道团簇机制》（Topological transport and atomic tunneling-clustering dynamics for aged Cu-doped Bi2Te3 crystals）发表在9月23日出版的《自然-通讯》（Nature Communications）上（Vol 5, no 5022 (2014)）。本工作由我校物理学院、比利时天主教鲁汶大学和东南大学合作完成，王广厚院士指导并参与了本文的工作，物理学院陈太师、黄文凯同学开展了实验工作。我校宋凤麒教授、王伯根教授和东南大学王金兰教授担任本文的通讯作者。本工作得到国家科技部“量子调控”重大研究计划和自然科学基金项目的支持。
最受关注的三维拓扑绝缘体(Bi2Te3/Se3）中存在本征的缺陷载流子，在常规样品中其输运贡献足以掩盖厚度仅为nm级别的拓扑表面态的传输，这大大限制了对拓扑绝缘体的输运性质的研究和器件研发。本工作发展了一种掺Cu时效处理的方法来优化Bi2Te3晶体，可以使晶体的体相电导被抑制4个数量级。处理后的样品从金属输运转变成非金属输运，费米面被调节到0.16eV带隙的0.1eV处，而拓扑表面态的传输却变得十分明显。从而，在宏观块材中出现了拓扑表面态特征性的弱反局域化(左图)、Shubnikov de Haas振荡(右图)、面内电子干涉等现象，特别是Landau扇形图给出了一个接近1/2的截距(右图插图)。这些结果都证明了本工作获得了良好表面态输运的能带绝缘体。
本工作建立一种扩散——“隧穿”——团簇的颁耻原子迁移图像描述了本方法的物理机制。实验发现，在处理前，颁耻原子位于晶体五层结构层芯的间隙位，而处理后颁耻原子处于五层结构的层间，并形成几个到几十个原子的小颁耻团簇，同时晶体迁移率显着下降。物理学院李绍春教授利用厂罢惭首次在这一结构中关键性的确认了颁耻3团簇的存在（右图插图）。详细理论分析表明：颁耻原子在层芯独立、层芯团簇、层间独立的形成能是接近的，而层间形成团簇后系统的能量则显着下降，穿越层芯和层间界面将遇到一个0.57别痴的扩散势垒。所以，时效处理的过程就是颁耻原子频繁挑战该势垒并迁徙到层间成簇的过程。形成团簇后每个颁耻原子的电荷转移远小于0.1个电子电荷，这正是本工作显着掺杂却仍能获得能带绝缘体样品的物理原因。迁徙的过程会引入缺陷，降低迁移率，正是这样载流子和迁移率双重的抑制导致本工作巨大的体相电导抑制和最终显着拓扑表面态电子输运的出现。
这一方法和机制的发现对获得优质拓扑绝缘体材料具有重要的指导意义，也是Cu掺杂在拓扑绝缘体中的又一重要贡献。（物理学院 科学技术处）
