In this work, we predict the emergence of a quantum spin Hall insulator (QSHI) in conventional semiconductors, specifically InAs quantum wells, driven by a built-in polarization field. We propose QSHI InAs quantum wells as a platform to engineer topological field effect devices. More precisely, we first present a novel topological logic device that operates without a topological phase transition. Subsequently, we design a high-performance topological transistor due to the presence of edge states. Our approach provides a potential framework for harnessing the unique features of QSHI in device design, paving the way for future topological devices.
Hybridization Gap and Edge States in Strained-layer InAs/In0.5Ga0.5Sb Quantum Spin Hall Insulator
Peking University（北京大学）；Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences（中国科学院半导体研究所）；Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院物理研究所）；Zhejiang University（浙江大学）；Hefei National Laboratory（合肥国家实验室）
Engineering quantum spin Hall insulators by strained-layer heterostructures
量子自旋霍尔绝缘体（quantum spin Hall insulators，QSHIs），又称二维拓扑绝缘体，是一种非传统的量子态，具有绝缘体和导电边缘，起源于非平凡的反向能带结构，并被提议作为探索自旋电子学应用和与自旋螺旋边缘模式相关的奇异准粒子的平台。尽管有各种材料的理论建议，但是，到目前为止，QSHIs的实验演示仅限于两个系统-HgTe/CdTe和InAs/GaSb-这两个系统都是晶格匹配的半导体异质结构。在这里，我们报告的传输测量在另一个实现的带反转异质结构作为QSHI候选-InAs/In $_{x}$ Ga $_{1-x}$ Sb与晶格失配。研究表明，In $_{x}$ Ga $_{1-x}$ Sb层中的压应变增强了能带重叠和能隙。因此，高体电阻率，两个数量级高于InAs/GaSb，得到深的带反转制度。应变还增强了体Rashba自旋轨道分裂，导致一种不寻常的情况下，费米能级只穿过一个自旋分支的电子和类孔带在一个很宽的密度范围。这些特性使该系统成为一个有前途的平台，强大的QSHIs具有独特的自旋特性，并证明应变是一个重要的成分，调整自旋-轨道相互作用。
Large Anomalous Hall Effect in Topological Insulators with Proximitized Ferromagnetic Insulators
报道了由铁磁绝缘体Cr2 Ge 2 Te 6和拓扑绝缘体（Bi，Sb）2 Te 3组成的全碲化物异质结构中邻近驱动的大反常霍尔效应.尽管在（Bi，Sb）2 Te 3层的磁化小，异常霍尔电导率达到0.2e2/h的大值，符合铁磁响应的Cr2 Ge 2 Te 6。结果表明，拓扑绝缘体的表面态与邻近层Cr2 Ge 2 Te 6之间的交换耦合是有效的，并且足够强，可以打开表面态的交换能隙.
Scattering mechanisms of highest-mobility InAs/Al$_{x}$Ga$_{1-x}$Sb quantum wells
我们研究了分子束外延生长的，未掺杂的Al $_{x}$ Ga $_{1-x}$ Sb/InAs/AlSb量子阱与不同的缓冲区和势垒设计和不同的量子阱宽度。用Al $_{0.33}$ Ga $_{0.67}$ Sb缓冲层和较低的势垒以及24 nm的量子阱宽度实现了最高的迁移率。这些准单界面InAs/AlSb量子阱器件在1 $\times 10^{12}$ cm $^{-2}$和1.3 K的密度下达到了2.4 $~\times~10^{6}~$ cm $^2$ /Vs的栅极调谐迁移率。在霍尔酒吧设备的边界散射被发现强烈影响的迁移率确定在此迁移率制度。电离背景杂质散射在低电子密度，设备边界散射在中间电子密度，和子带间散射在高电子密度被确定为最有可能占主导地位的散射过程。朗道扇中的环状结构可以用朗道能级交叉的单粒子模型来解释。
Beijing Normal University（北京师范大学）；Renmin University of China（中国人民大学）；Ningbo University（宁波大学）；Qufu Normal University（曲阜师范大学）；Hefei National Laboratory（合肥国家实验室）
Quantized Anomalous Hall Effect in Magnetic Topological Insulators
霍尔效应、反常霍尔效应和自旋霍尔效应分别是由洛伦兹力和自旋轨道耦合引起的固体中的基本输运过程。近年来，人们发现了量子形式的霍尔效应和自旋霍尔效应。然而，量子化反常霍尔（QAH）效应尚未在实验上实现。在QAH绝缘体中，自发磁矩和自旋-轨道耦合结合产生拓扑非平凡的电子结构，导致量子化的霍尔效应而无需任何外部磁场。在这项工作中，基于最先进的第一性原理计算，我们预测的辉碲铋矿半导体Bi $_2$ Te $_3$，Bi $_2$ Se $_3$，和Sb $_2$ Te $_3$形成磁有序的绝缘体时，掺杂过渡金属元素（Cr或Fe），在鲜明对比，传统的稀磁半导体中，自由载流子是必要的调解磁耦合。二维薄膜中的磁序产生了以有限的陈数为特征的拓扑电子结构，具有量子化的霍尔电导$e^{2}/h$。长期追求的QAH绝缘体状态的实验实现可以在室温下实现稳健的无耗散电荷传输。
Quantum-Hall to Insulator Transition in Ultra-low-carrier-density Topological Insulator Films and a Hidden Phase of the Zeroth Landau Level
在磁场作用下的拓扑表面态的一个关键特征是在零能量处存在第零朗道能级。尽管如此，探测第零朗道能级一直具有挑战性，因为大的电子空穴水坑涂抹了它的能量景观。在这里，通过开发超低载流子密度的拓扑绝缘体Sb $_2$ Te $_3$薄膜，我们能够达到一个极端的量子极限的拓扑表面状态，并揭示了一个隐藏的相位在零朗道水平。首先，我们发现了一个意想不到的量子霍尔到绝缘体的转变附近的零朗道水平。然后，通过详细的标度分析，我们发现这种量子霍尔到绝缘体的转变属于一个新的普适类，这意味着这里发现的绝缘相具有与非拓扑系统中的绝缘相根本不同的起源。
Magnetic-field-induced quantized anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi$_2$Te$_4$
在磁性拓扑绝缘体中，非平凡能带拓扑与磁序合谋产生奇异的物质态，最好的例子是量子反常霍尔（QAH）绝缘体和轴子绝缘体。到目前为止，这种磁性拓扑绝缘体是通过在拓扑绝缘体中掺杂磁性原子而获得的。然而，无规磁性掺杂剂不可避免地引入阻碍材料中量子效应的进一步探索的无序。在这里，我们解决了这个困境，通过探测量子输运在MnBi $_2$ Te $_4$薄片-一个拓扑绝缘体与内禀磁秩序。在这种层状范德华晶体中，铁磁层彼此反平行耦合，因此MnBi $_2$ Te $_4$是反铁磁体。磁场，然而，对齐所有的层，并诱导层间铁磁秩序，我们发现，量子化的异常霍尔响应出现在原子薄的MnBi $_2$ Te $_4$在一个中等的磁场。因此，MnBi $_2$ Te $_4$成为第一个表现出量子化反常霍尔效应的本征磁性拓扑绝缘体。这一结果确立了MnBi $_2$ Te $_4$作为进一步探索各种拓扑现象的理想场所。
