拓扑量子输运是研究新颖量子物态的重要手段，也为拓扑材料应用于电子、光电子器件奠定基础。近期，北京大学物理学院廖志敏课题组在低维拓扑材料电子输运与器件效应研究的前沿领域取得了系列重要进展。
廖志敏课题组率先实验发现了狄拉克半金属Cd3As2中外尔费米子手性反常导致的负磁电阻效应【Nature Commun.6, 10137 (2015)】、Berry相位调制的表面态Aharonov-Bohm量子振荡【Nature Commun.7, 10769 (2016)】、拓扑表面态与体态的Fano量子干涉效应【PRL120, 257701 (2018)】、起源于拓扑表面态的量子霍尔效应【PRL122, 036602 (2019)】、拓扑半金属表面态的自旋输运特性以及自旋极化电流的栅压开关效应【PRL124, 116802 (2020)】。
栅压调控拓扑相变以及自旋极化电流开关
廖志敏课题组进一步构筑了拓扑半金属-超导体约瑟夫森结，发现了4π周期的超导电流以及Majorana零能模【PRL121, 237701 (2018)】；实现了拓扑表面态超导电流的磁场和栅压调控，揭示了轨道干涉效应导致的超导临界电流随面内磁场的周期性振荡效应【Nature Commun.11, 1150 (2020)】；实现了一维拓扑棱态传输的超导电流，提供了higher-order拓扑半金属量子态的输运佐证【PRL124, 156601 (2020)】。
利用不同通道（三维体态、二维表面态、一维棱态）的相位相干长度的差异，增大样品尺寸实现一维拓扑棱态（hinge states）的超导电流输运
这一系列深入系统的工作有力地推动了狄拉克半金属量子输运领域的发展。廖志敏课题组应ACS Nano编辑邀请，撰写了综述论文“Topological Semimetal Nanostructures: From Properties to Topotronics”【ACS NanoDOI: 10.1021/acsnano.9b07990 (2020)】，总结了拓扑半金属纳米结构从物性到拓扑电子学的重要进展，并展望了其在光电探测、自旋电子学、拓扑场效应晶体管、拓扑量子比特等方面的潜在应用。
拓扑半金属在后摩尔时代新型器件中的可能应用
该系列工作是课题组近五年几届研究生持续研究的结果，包括已经毕业的王礼先博士、李彩珍博士、林本川博士、王硕博士，在读博士生王安琦、郑文壮以及本科生叶兴国等；主要合作者包括北京大学/南方科技大学俞大鹏院士、荷兰Twente大学Chuan Li教授与Alexander Brinkman教授等。
上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技委创新特区、介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心等支持。
