作為一種全新量子物態，拓撲絕緣體的發現被認為是繼石墨烯之後的“Next Big Thing”。拓撲絕緣體對基礎物理的理解和半導體器件的應用都有巨大的價值，因而逐漸成為凝聚態物理和電子學領域的研究熱點，受到全球科學家關注，以期解決摩爾定律即將失效的難題，突破能源、信息等領域面臨的瓶頸。經過數十年的深入研究，拓撲絕緣體在理論基礎、材料體系、製備方法、物理性質、新型應用拓展等方面取得了顯著進步。從紅外到太赫茲頻段的超寬頻響應使拓撲絕緣體在微電子、光電子及自旋電子學等方面具有令人矚目的應用前景。由此，系統總結拓撲絕緣體國內外最新的研究成果，對推動其實際應用至關重要。
電子學和微電子學在20世紀取得了重大成就。近幾十年來，以半導體場效應晶體管為基本結構單元的大規模集成電路技術突飛猛進、日新月異，使人類進入信息時代。隨著計算機技術的發展，支配計算機領域的摩爾定律已經逐漸失效，其不得不迫使摩爾定律之後計算機領域發生轉變和變革。傳統半導體材料的微電子學的發展，僅僅利用了電子具有電荷這一特徵，並未涉及電子的另一特性——自旋。然而，基於拓撲量子材料的自旋電子學是利用電子的自旋特性進行信息的存儲、傳遞與處理的一門新興學科，其核心在於自旋相關導電，即電導或電阻隨導電電子自旋而異（圖1）。將電子自旋引入電子學增加了電子運動的維度，豐富了電子學的內容，使電子學和微電子學發生了很大的變化，可從根本上改變芯片的設計改變目前的計算框架。拓撲絕緣體就是拓撲量子材料的一種，其可替代傳統硅，在量子計算機中具有巨大的潛在應用價值。
圖1 自旋量子器件工作機理
拓撲絕緣體是一種具有強自旋軌道耦合作用的新興量子物質態，其內部為存在能隙的絕緣態，電子能帶結構具有與傳統絕緣體類似的體相帶隙；而在表面或邊界則是受材料本徵性質的拓撲保護且自旋劈裂的表面電子態（無能隙的金屬態），呈線性色散、受時間反演對稱性保護（圖2）。拓撲絕緣體奇特的邊界/表面態，導致電子輸運時自旋與動量鎖定，受到時間反演對稱性的保護，且不會被非磁性雜質背散射，因此是自旋輸運的理想“雙向車道”的高速公路，在自旋電子學、低功耗電子器件以及量子計算機等領域有著廣泛的應用前景。除此之外，拓撲絕緣體獨特電子能帶的拓撲性質使其表現出奇特的物理性質，與量子霍爾效應、量子自旋霍爾反應和量子反常霍爾效應等領域緊密相連，也將使得實驗上觀測到科學家們一直尋找的Axion、Majorana費米子成為可能。因此，拓撲絕緣體材料體系迅速成為了凝聚態物理及材料領域的研究熱點，引起了國際學術界的廣泛關注。
圖2 （a）拓撲絕緣體示意圖；（b）拓撲絕緣體能帶結構示意圖
通常而言，對一種新型材料持之以恆的關注和探索很大程度上源自其應用牽引。近些年，拓撲絕緣體從理論到基礎實驗對其新穎物理特性的研究取得了一系列突破性的進展，展現出巨大的應用潛力，為後續走向實際應用提供了諸多新的可能性。例如，基於拓撲絕緣體電子自旋與動量的鎖定、極低的耗散，以及量子自旋霍爾效應，可研製應用於未來信息存儲和量子計算的自旋電子器件、倍頻器、數字存儲、光電子器件，以及高速無損耗電信號傳輸與芯片互聯結構等。拓撲絕緣體有基礎研究到功能器件的快速發展，為實現其實際應用奠定了堅實的理論與技術基礎。
擁有“電子高速公路”的拓撲絕緣體將進入應用階段（圖3），其在量子計算機中具有巨大的潛在應用價值，有望解決摩爾定律即將失效的難題，實現半導體功能器件領域的變革性突破。故而，我們有必要對拓撲絕緣體材料體系和功能器件應用的研究進展和發展趨勢進行全面、系統的總結回顧，推動拓撲絕緣體未來功能化應用。
圖3 （a）自旋電子運動示意圖；（b）電子運動的“高速公路”
《拓撲絕緣體：基礎及新興應用》一書正是在此背景下撰寫而成，本書力求以最新內容，結合國內外最新的研究成果與技術，全面、系統闡述拓撲絕緣體的物理特性及其在信息能源等領域中的應用。內容涵蓋了拓撲絕緣體從理論基礎、材料體系、製備方法、物理性質、新型應用等各個領域；並對拓撲絕緣體自旋電子器件、納電子器件、光電器件、透明導電薄膜、熱電轉化等重要功能器件進行了詳細介紹。作為拓撲絕緣體領域的第一部中文論著，涵蓋面廣，由淺入深，能反映拓撲絕緣體領域最近的研究全貌。相信本書的出版對拓撲絕緣體在能源、電子、信息等諸多領域的研究具有重要推動意義和學術參考價值，其也可以作為從事相關領域研究的科研工作者的參考書目。
作者簡介
中國科學院白春禮院長題詞
《拓撲絕緣體：基礎及新興應用》
（低維材料與器件叢書/成會明 總主編）
彭海琳 編著
責任編輯：翁靖一，李麗嬌
北京：科學出版社，2020.2
ISBN：978-7-03-064117-5
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拓撲絕緣體是一種內部絕緣、界面允許電荷移動的全新量子材料，是科技前沿領域近年來的研究熱點。拓撲絕緣體具有獨特的電子結構，涉及許多重要的物理現象和機制，並表現出優異的物理化學性質和廣闊的器件應用前景。本書基於作者多年在拓撲絕緣體材料領域的科研工作，結合國內外最新研究進展，從拓撲絕緣體的理論基礎出發，系統而深入地介紹了拓撲絕緣體的材料體系和相應的製備方法，並詳細介紹了拓撲絕緣體材料的性質表徵及器件應用前景。
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