近日，物理与电子工程学院物理系刘军丰教授课题组在拓扑场效应管方面的理论研究取得重要进展，成功预测了一类新型拓扑场效应管----横向遂穿场效应管。相关研究成果发表在顶级物理期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters, PRL)上。该研究成果由刘军丰教授与南方科技大学的博士生徐勇、中国科技大学的博士生陈彦如、东南大学的汪军教授、以及北京大学的马中水教授共同合作完成。刘军丰教授和马中水教授为本文通讯作者。

拓扑绝缘体是一类特殊的绝缘体，体内绝缘但表面却具有拓扑保护的边缘态可供电子传输。更重要的是，这些边缘态中的电子在一定程度上不怕杂质的散射，可以实现无耗散的电子输运。这一性质使得拓扑材料在构筑无耗散电子器件、进而解决电子器件发热问题上具有重要的潜在应用价值，被称之为拓扑电子学。

拓扑材料除了提供无耗散的电子输运通道之外，还可以用来实现拓扑场效应管。一般的拓扑场效应管的设计思路是控制拓扑材料的拓扑相变，也就是从拓扑绝缘体到普通绝缘体之间的相变。借此我们就能够控制有还是没有拓扑保护的边缘态，从而实现电导的1或者0态。但可控的特别是由电场调控的拓扑相变在实验上并不容易，使得拓扑场效应管的实现具有一定的困难。

该研究提供了一条设计拓扑场效应管的新思路，通过调控电子在拓扑边缘态之间的遂穿过程而不是拓扑相变来实现电导的0或1态，从而避开了调控拓扑相变的困难。

我们知道，拓扑边缘态虽然主要局域在边界上，但仍然在体内以指数衰减的形式具有一定的趋入深度。在狭窄的二维拓扑绝缘体条带中（图1a），两边边缘体的波函数将在体内具有一定的交叠（图1c）。这一波函数的交叠将可以使电子从一边的边缘态遂穿到另一边的边缘态上去，从而实现横向的电子输运。这个遂穿过程可由纵向的电场来调控，而实现量子化的0或1电导平台（图3）。此遂穿过程可用简单的量子力学一维散射问题来定性的描述。利用拓扑边缘态之间的遂穿，我们可实现电场调控的没有拓扑相变的拓扑场效应管（图2）。

图1：拓扑绝缘体边缘态之间的有限尺寸效应以及在电场下的遂穿示意图

图2：两种横向遂穿拓扑场效应管设计示意图

图3：图2a所示场效应管的能带、电导、以及流分布

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.206801