低溫矢量磁場STM的研發(fā)及其在拓?fù)洳牧涎芯恐械膽?yīng)用探索一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，拓?fù)洳牧弦云洫?dú)特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值，成為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。拓?fù)洳牧现械碾娮討B(tài)具有受拓?fù)浔Ｗo(hù)的特性，這使得它們在量子信息處理、低能耗電子學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，拓?fù)浣^緣體具有絕緣的體內(nèi)和導(dǎo)電的表面態(tài)，且表面態(tài)中的電子具有獨(dú)特的自旋-軌道耦合效應(yīng)，這為實(shí)現(xiàn)無耗散的電子輸運(yùn)提供了可能，有望解決傳統(tǒng)電子器件中能耗過高的問題。而拓?fù)浒虢饘賱t具有線性色散的能帶結(jié)構(gòu)，其中的狄拉克費(fèi)米子和外爾費(fèi)米子等準(zhǔn)粒子表現(xiàn)出與傳統(tǒng)粒子截然不同的輸運(yùn)性質(zhì)，為新型電子器件的研發(fā)提供了新的物理基礎(chǔ)。掃描隧道顯微鏡（STM）作為一種能夠在原子尺度上對材料表面進(jìn)行成像和探測的強(qiáng)大工具，在拓?fù)洳牧系难芯恐邪l(fā)揮著不可或缺的作用。通過STM，科研人員可以直接觀察到拓?fù)洳牧媳砻嬖拥呐帕薪Y(jié)構(gòu)，測量表面電子態(tài)的密度分布，進(jìn)而揭示材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。例如，在對拓?fù)浣^緣體Bi?Se?的研究中，利用STM能夠清晰地觀察到其表面的原子晶格結(jié)構(gòu)，并通過掃描隧道譜（STS）測量得到表面態(tài)的電子能譜，從而確定表面態(tài)的存在及其拓?fù)湫再|(zhì)。然而，常規(guī)條件下的STM研究存在一定的局限性，無法滿足對拓?fù)洳牧显跇O端條件下深入研究的需求。在低溫環(huán)境下，拓?fù)洳牧系牧孔犹匦阅軌虻玫礁浞值恼宫F(xiàn)。低溫可以抑制熱漲落對電子態(tài)的干擾，使得拓?fù)洳牧现械牧孔蝇F(xiàn)象更加顯著，例如拓?fù)涑瑢?dǎo)體中的馬約拉納費(fèi)米子態(tài)在低溫下更易于被探測和研究。馬約拉納費(fèi)米子是一種反粒子為其自身的特殊粒子，在拓?fù)淞孔佑?jì)算中被視為潛在的量子比特候選者，因?yàn)樗鼈兙哂型負(fù)浔Ｗo(hù)的特性，能夠抵抗外界環(huán)境的干擾，從而提高量子比特的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性。此外，矢量磁場的施加可以進(jìn)一步調(diào)控拓?fù)洳牧系碾娮咏Y(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)出新奇的量子態(tài)和物理現(xiàn)象。通過改變磁場的大小和方向，可以改變拓?fù)洳牧现须娮拥淖孕∠蚝蛙壍肋\(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對材料電學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)的精確調(diào)控。例如，在拓?fù)浒虢饘僦校┘哟艌隹梢詫?dǎo)致電子的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生量子振蕩等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對于深入理解拓?fù)洳牧系碾娮虞斶\(yùn)機(jī)制具有重要意義。因此，研發(fā)低溫矢量磁場STM對于拓?fù)洳牧系难芯烤哂兄匾耐苿?dòng)作用。它能夠?yàn)橥負(fù)洳牧系难芯刻峁└迂S富和精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有助于揭示拓?fù)洳牧现懈顚哟蔚奈锢硪?guī)律，推動(dòng)拓?fù)洳牧显诹孔有畔ⅰ⒛茉吹阮I(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。在量子信息領(lǐng)域，基于對拓?fù)洳牧显诘蜏厥噶看艌鱿碌难芯浚型_發(fā)出新型的量子比特和量子邏輯門，提高量子計(jì)算的效率和可靠性；在能源領(lǐng)域，拓?fù)洳牧系臒o耗散輸運(yùn)特性可能為新型超導(dǎo)材料的研發(fā)提供思路，促進(jìn)能源的高效利用和傳輸。綜上所述，本研究對于推動(dòng)凝聚態(tài)物理和量子信息領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，低溫矢量磁場STM的研發(fā)在國內(nèi)外均取得了顯著進(jìn)展。在國外，一些頂尖科研機(jī)構(gòu)和高校一直處于該領(lǐng)域的前沿。例如，美國的斯坦福大學(xué)和德國的馬克斯?普朗克學(xué)會(huì)等研究團(tuán)隊(duì)，通過不斷改進(jìn)STM的硬件設(shè)計(jì)和探測技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了在極低溫（接近絕對零度）和強(qiáng)矢量磁場條件下對材料表面原子和電子態(tài)的高分辨率成像與測量。他們利用這些先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對多種拓?fù)洳牧希缤負(fù)浣^緣體Bi?Te?、拓?fù)浒虢饘賂aAs等進(jìn)行了深入研究，揭示了拓?fù)洳牧显诘蜏厥噶看艌鱿码娮咏Y(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了一些新奇的量子現(xiàn)象，如磁場誘導(dǎo)的拓?fù)湎嘧儭⒘孔诱袷幍取Ｔ趪鴥?nèi)，中國科學(xué)院物理研究所、浙江大學(xué)等科研單位也在低溫矢量磁場STM的研發(fā)和拓?fù)洳牧涎芯糠矫嫒〉昧艘幌盗兄匾晒Ｖ袊茖W(xué)院物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)搭建了極低溫矢量磁場電子自旋共振掃描隧道顯微鏡（ESR-STM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具備原子分辨的成像能力，還擁有幾十個(gè)neV的超高能量分辨率，能夠在單個(gè)原子尺度對自旋系統(tǒng)進(jìn)行高精度探測與量子相干操控。利用這一先進(jìn)設(shè)備，他們成功實(shí)現(xiàn)了幾種人工拓?fù)淞孔哟朋w的原子級精準(zhǔn)構(gòu)筑，并對其多體拓?fù)湮飸B(tài)進(jìn)行了高精度探測，能量分辨率優(yōu)于100neV，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則致力于搭建基于稀釋制冷機(jī)的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，旨在獲得40mk極低溫及9-2-2矢量磁場的測量環(huán)境，為拓?fù)洳牧系难芯刻峁└鼧O端的實(shí)驗(yàn)條件。盡管國內(nèi)外在低溫矢量磁場STM的研發(fā)及其在拓?fù)洳牧涎芯恐械膽?yīng)用取得了一定成果，但當(dāng)前研究仍存在一些不足與挑戰(zhàn)。一方面，STM的成像和探測技術(shù)在極端條件下的穩(wěn)定性和精度仍有待提高。在極低溫和強(qiáng)磁場環(huán)境中，設(shè)備容易受到外界干擾，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的噪聲增加，影響對拓?fù)洳牧衔⒂^結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的精確分析。另一方面，對拓?fù)洳牧显诘蜏厥噶看艌鱿碌膹?fù)雜物理機(jī)制的理解還不夠深入。例如，拓?fù)洳牧现械碾娮?電子相互作用、自旋-軌道耦合效應(yīng)在磁場調(diào)控下如何協(xié)同作用，從而影響材料的拓?fù)湫再|(zhì)和量子態(tài)，目前尚未完全明確。此外，如何將低溫矢量磁場STM的研究成果與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，開發(fā)出基于拓?fù)洳牧系男滦土孔悠骷彩钱?dāng)前面臨的重要挑戰(zhàn)之一。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在研發(fā)一套高性能的低溫矢量磁場STM系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)深入研究拓?fù)洳牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)和電子態(tài)特性，揭示拓?fù)洳牧显诘蜏厥噶看艌鱿碌奈锢頇C(jī)制，為拓?fù)洳牧系膽?yīng)用開發(fā)提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。具體研究目標(biāo)與內(nèi)容如下：1.3.1低溫矢量磁場STM的技術(shù)研發(fā)低溫環(huán)境實(shí)現(xiàn)：采用先進(jìn)的低溫制冷技術(shù)，如稀釋制冷機(jī)，使STM系統(tǒng)能夠達(dá)到極低溫（低于100mK）的工作環(huán)境。在極低溫下，熱漲落對電子態(tài)的影響顯著減小，拓?fù)洳牧现械牧孔犹匦阅軌虻玫礁浞值恼宫F(xiàn)，從而為研究拓?fù)洳牧系牧孔蝇F(xiàn)象提供條件。矢量磁場加載：設(shè)計(jì)并集成高精度的矢量磁場發(fā)生裝置，能夠在樣品表面產(chǎn)生強(qiáng)度范圍為0-10T，且方向可在三維空間內(nèi)精確調(diào)節(jié)的矢量磁場。通過精確控制磁場的大小和方向，可以實(shí)現(xiàn)對拓?fù)洳牧想娮咏Y(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，誘導(dǎo)出新奇的量子態(tài)和物理現(xiàn)象，例如在拓?fù)浒虢饘僦校艌龅淖兓梢愿淖兊依速M(fèi)米子的性質(zhì)，導(dǎo)致量子振蕩等現(xiàn)象的出現(xiàn)。STM成像與探測優(yōu)化：對STM的探針設(shè)計(jì)、掃描控制和信號(hào)檢測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高成像分辨率和探測靈敏度。確保在低溫矢量磁場環(huán)境下，STM能夠?qū)崿F(xiàn)原子級別的高分辨率成像，以及對電子態(tài)密度的高精度測量，為研究拓?fù)洳牧媳砻嬖雍碗娮討B(tài)的精細(xì)結(jié)構(gòu)提供保障。例如，通過改進(jìn)探針的制備工藝和掃描控制算法，可以減小噪聲干擾，提高成像的清晰度和穩(wěn)定性，從而更準(zhǔn)確地觀察拓?fù)洳牧媳砻嬖拥呐帕薪Y(jié)構(gòu)和電子態(tài)的分布情況。1.3.2拓?fù)洳牧系膶?shí)驗(yàn)研究拓?fù)洳牧媳砻娼Y(jié)構(gòu)與電子態(tài)表征：利用研發(fā)的低溫矢量磁場STM對多種拓?fù)洳牧希缤負(fù)浣^緣體Bi?Se?、拓?fù)浒虢饘賂aAs等進(jìn)行表面原子結(jié)構(gòu)成像和電子態(tài)密度測量。通過分析STM圖像和掃描隧道譜（STS）數(shù)據(jù)，確定拓?fù)洳牧媳砻嬖拥呐帕蟹绞健⒕Ц駞?shù)以及電子態(tài)的能量分布、色散關(guān)系等，揭示拓?fù)洳牧媳砻骐娮討B(tài)的特性和拓?fù)湫再|(zhì)。例如，在對拓?fù)浣^緣體Bi?Se?的研究中，通過STM成像可以觀察到其表面原子的六角晶格結(jié)構(gòu)，而STS測量則可以得到表面態(tài)的電子能譜，從而確定表面態(tài)的存在及其能量位置和色散關(guān)系。低溫矢量磁場下拓?fù)洳牧系牧孔蝇F(xiàn)象研究：研究拓?fù)洳牧显诘蜏厥噶看艌鲎饔孟碌牧孔蝇F(xiàn)象，如磁場誘導(dǎo)的拓?fù)湎嘧儭⒘孔诱袷帯ⅠR約拉納費(fèi)米子態(tài)等。通過系統(tǒng)地改變磁場的大小和方向，測量拓?fù)洳牧系碾妼W(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)的變化，結(jié)合理論計(jì)算和模擬，深入探討這些量子現(xiàn)象的物理機(jī)制和規(guī)律。例如，在研究拓?fù)涑瑢?dǎo)體中的馬約拉納費(fèi)米子態(tài)時(shí)，通過在低溫矢量磁場下測量材料的隧道譜和約瑟夫森電流等性質(zhì)，尋找馬約拉納費(fèi)米子存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并研究其與磁場的相互作用特性。拓?fù)洳牧现须娮?電子相互作用與自旋-軌道耦合效應(yīng)研究：借助低溫矢量磁場STM的高分辨率探測能力，研究拓?fù)洳牧现须娮?電子相互作用和自旋-軌道耦合效應(yīng)在磁場調(diào)控下的協(xié)同作用機(jī)制。通過測量電子態(tài)的自旋極化、自旋-軌道耦合強(qiáng)度等參數(shù)，以及觀察這些參數(shù)在磁場變化時(shí)的響應(yīng)，揭示電子-電子相互作用和自旋-軌道耦合效應(yīng)如何影響拓?fù)洳牧系耐負(fù)湫再|(zhì)和量子態(tài)，為深入理解拓?fù)洳牧系奈锢肀举|(zhì)提供理論依據(jù)。例如，在拓?fù)浒虢饘僦校娮?電子相互作用和自旋-軌道耦合效應(yīng)的協(xié)同作用可以導(dǎo)致電子能帶結(jié)構(gòu)的重整化，從而影響材料的拓?fù)湫再|(zhì)和輸運(yùn)特性，通過STM實(shí)驗(yàn)可以對這些效應(yīng)進(jìn)行直接觀測和研究。二、低溫矢量磁場STM的工作原理與技術(shù)基礎(chǔ)2.1STM基本原理掃描隧道顯微鏡（STM）的工作原理基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)極細(xì)的針尖與樣品表面非常接近，間距小于1納米時(shí)，針尖原子和樣品表面原子的電子云會(huì)發(fā)生重疊。若在針尖和樣品之間施加一個(gè)偏壓，電子便能夠穿過針尖與樣品之間的勢壘，形成隧道電流。根據(jù)量子力學(xué)理論，隧道電流I與針尖和樣品之間的距離S以及樣品表面電子態(tài)密度N(E)密切相關(guān)，其關(guān)系可近似表示為：I\propto\int_{E_F}^{E_F+eV}N(E)e^{-2kS}dE其中，E_F是費(fèi)米能級，e為電子電荷量，V是偏壓，k是與電子能量和勢壘高度相關(guān)的常數(shù)。從該公式可以看出，隧道電流對針尖與樣品間的距離極為敏感，當(dāng)距離S發(fā)生微小變化時(shí)，隧道電流會(huì)產(chǎn)生顯著改變。這種敏感性使得STM能夠通過精確測量隧道電流的變化，來獲取樣品表面原子尺度的形貌信息。在STM的實(shí)際工作過程中，通常采用兩種成像模式：恒電流模式和恒高度模式。在恒電流模式下，通過反饋控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)針尖與樣品表面的距離，使隧道電流保持恒定。當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，由于樣品表面原子的起伏，針尖與樣品間的距離會(huì)相應(yīng)改變，為了維持恒定的隧道電流，反饋系統(tǒng)會(huì)調(diào)整針尖的高度。記錄針尖在掃描過程中的高度變化，即可得到樣品表面的三維形貌圖像。這種模式能夠提供非常高的分辨率，可清晰地分辨出樣品表面原子的排列結(jié)構(gòu)，適用于對樣品表面形貌進(jìn)行精細(xì)研究。例如，在對石墨表面的研究中，利用恒電流模式的STM可以清晰地觀察到石墨表面碳原子的六邊形排列結(jié)構(gòu)，原子分辨率可達(dá)0.1納米。而在恒高度模式中，針尖在樣品表面保持固定的高度進(jìn)行掃描。此時(shí)，隧道電流會(huì)隨著樣品表面原子的起伏以及電子態(tài)密度的變化而改變。通過測量隧道電流的變化，同樣可以獲得樣品表面的信息。恒高度模式的掃描速度相對較快，適用于對樣品表面進(jìn)行快速成像或研究表面電子態(tài)的分布情況。然而，由于針尖與樣品表面的距離并非始終保持一致，該模式的分辨率相對恒電流模式略低。在研究一些表面相對平整的樣品時(shí)，恒高度模式能夠快速獲取樣品表面的電學(xué)特性信息，如表面電勢或表面電導(dǎo)率的分布。STM實(shí)現(xiàn)原子分辨成像的機(jī)制主要依賴于其極高的空間分辨率。STM的針尖極其尖銳，通常只有一個(gè)原子大小的尖端，這使得它能夠與樣品表面的單個(gè)原子相互作用。當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，隧道電流的變化反映了樣品表面原子的電子云分布情況。由于不同原子的電子云分布存在差異，通過對隧道電流的精確測量和分析，就可以確定樣品表面原子的位置和排列方式。此外，STM的掃描控制精度可達(dá)亞納米級，能夠?qū)崿F(xiàn)對針尖位置的精確控制，從而保證了在原子尺度上對樣品表面的掃描和成像。例如，在對硅表面的研究中，STM通過原子分辨成像發(fā)現(xiàn)了硅表面存在著多種不同的重構(gòu)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對硅材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)具有重要影響。綜上所述，STM利用隧道電流與樣品表面電子態(tài)的緊密關(guān)系，通過精確控制針尖與樣品的距離和掃描過程，實(shí)現(xiàn)了原子分辨成像，為研究材料表面的微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)提供了強(qiáng)大的工具。2.2低溫技術(shù)在STM中的應(yīng)用低溫環(huán)境對于STM性能有著至關(guān)重要的影響，能夠顯著提升其在拓?fù)洳牧涎芯恐械男堋Ｔ诔Ｒ?guī)溫度下，熱漲落會(huì)導(dǎo)致材料表面原子的熱振動(dòng)加劇，這會(huì)干擾STM探針與樣品表面原子之間的相互作用，使得隧道電流產(chǎn)生波動(dòng)，從而降低成像的分辨率和穩(wěn)定性。例如，在高溫環(huán)境中，材料表面原子的熱振動(dòng)幅度可能達(dá)到皮米量級，這對于需要精確探測原子間距離和電子態(tài)分布的STM來說，會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差，導(dǎo)致無法清晰分辨原子的位置和電子云的分布情況。而在低溫條件下，熱漲落得到有效抑制，原子的熱振動(dòng)幅度大幅減小，材料表面的原子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，STM的針尖與樣品表面原子之間的相互作用更加穩(wěn)定和可預(yù)測。這使得隧道電流能夠更準(zhǔn)確地反映樣品表面電子態(tài)的信息，從而提高成像分辨率和探測靈敏度。研究表明，當(dāng)溫度降低到100mK以下時(shí)，STM對拓?fù)洳牧媳砻嬖拥姆直婺芰梢蕴岣咭粋€(gè)數(shù)量級，能夠清晰地觀察到原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的微小變化。此外，低溫環(huán)境還能夠增強(qiáng)STM對拓?fù)洳牧现辛孔蝇F(xiàn)象的探測能力。拓?fù)洳牧现械牧孔犹匦裕缤負(fù)浔砻鎽B(tài)、馬約拉納費(fèi)米子態(tài)等，在低溫下能夠得到更充分的展現(xiàn)。例如，拓?fù)涑瑢?dǎo)體中的馬約拉納費(fèi)米子態(tài)在低溫下具有更長的壽命和更穩(wěn)定的存在狀態(tài)，使得STM更容易探測到它們的存在。通過在低溫環(huán)境下對拓?fù)洳牧线M(jìn)行STM測量，可以獲得更多關(guān)于量子態(tài)的信息，如量子態(tài)的能量分布、自旋極化等，這對于深入理解拓?fù)洳牧系牧孔犹匦院臀锢頇C(jī)制具有重要意義。實(shí)現(xiàn)極低溫的制冷技術(shù)在STM中應(yīng)用廣泛，其中稀釋制冷機(jī)是一種常用的獲得極低溫的設(shè)備。稀釋制冷機(jī)的工作原理基于3He和?He的混合稀釋過程。在低溫下，3He和?He會(huì)形成相分離，3He在?He中發(fā)生稀釋，這個(gè)過程會(huì)吸收大量的熱量，從而實(shí)現(xiàn)制冷。稀釋制冷機(jī)能夠?qū)悠窚囟冉档偷?0mK甚至更低，為STM提供了接近絕對零度的工作環(huán)境。在STM系統(tǒng)中，稀釋制冷機(jī)通常與樣品腔相連，通過熱傳導(dǎo)將樣品冷卻到極低溫。同時(shí)，為了減少外界熱量的傳入，樣品腔和制冷機(jī)通常采用多層絕熱結(jié)構(gòu)，如真空絕熱、多層輻射屏蔽等。例如，在一些先進(jìn)的低溫矢量磁場STM系統(tǒng)中，采用了基于稀釋制冷機(jī)的三級制冷結(jié)構(gòu)，首先通過液氮預(yù)冷，然后利用液氦進(jìn)一步冷卻，最后通過稀釋制冷機(jī)將樣品溫度降低到極低溫，確保STM在極低溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。此外，脈沖管制冷機(jī)也是一種在STM中應(yīng)用的制冷技術(shù)。脈沖管制冷機(jī)利用氣體在脈沖管中的壓力變化來實(shí)現(xiàn)制冷。它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、無機(jī)械振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于對振動(dòng)敏感的STM系統(tǒng)。脈沖管制冷機(jī)的制冷溫度一般在幾十開爾文到幾開爾文之間，可以滿足一些對溫度要求不是特別苛刻的STM實(shí)驗(yàn)需求。在實(shí)際應(yīng)用中，脈沖管制冷機(jī)通常與其他制冷技術(shù)相結(jié)合，如與液氦制冷機(jī)配合使用，先通過脈沖管制冷機(jī)將樣品預(yù)冷到一定溫度，再利用液氦制冷機(jī)將樣品冷卻到更低的溫度。這種組合制冷方式既能夠提高制冷效率，又能夠降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。2.3矢量磁場引入的原理與作用矢量磁場的產(chǎn)生通常借助高精度的電磁鐵系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。電磁鐵由繞制在鐵芯上的線圈組成，當(dāng)電流通過線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場，其磁場強(qiáng)度B與電流I、線圈匝數(shù)N以及鐵芯的磁導(dǎo)率\mu等因素相關(guān)，可通過安培環(huán)路定理進(jìn)行計(jì)算。在低溫矢量磁場STM系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)矢量磁場的精確控制，往往采用多個(gè)相互垂直的電磁鐵組合。例如，通過在三個(gè)正交方向上分別設(shè)置電磁鐵，能夠產(chǎn)生在三維空間內(nèi)任意方向的磁場。這種設(shè)計(jì)使得磁場方向可以在空間中連續(xù)變化，為研究拓?fù)洳牧显诓煌艌龇较蛳碌奈锢硇再|(zhì)提供了可能。同時(shí)，為了確保磁場的穩(wěn)定性和均勻性，需要對電磁鐵的電源進(jìn)行精確控制，采用高精度的恒流源，以減少電流波動(dòng)對磁場的影響。矢量磁場對拓?fù)洳牧现须娮幼孕湍軒ЫY(jié)構(gòu)研究具有至關(guān)重要的作用機(jī)制。在拓?fù)洳牧现校娮泳哂歇?dú)特的自旋-軌道耦合效應(yīng)，即電子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng)之間存在相互作用。當(dāng)施加矢量磁場時(shí)，磁場會(huì)與電子的自旋磁矩相互作用，導(dǎo)致電子的自旋取向發(fā)生變化。這種變化會(huì)進(jìn)一步影響電子的軌道運(yùn)動(dòng)，從而改變拓?fù)洳牧系哪軒ЫY(jié)構(gòu)。例如，在拓?fù)浣^緣體中，表面態(tài)的電子具有螺旋狀的自旋結(jié)構(gòu)，施加磁場后，電子自旋會(huì)發(fā)生進(jìn)動(dòng)，使得表面態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜和分裂。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化可以通過STM的掃描隧道譜（STS）測量得到，從而為研究拓?fù)洳牧系碾娮咏Y(jié)構(gòu)提供重要信息。此外，矢量磁場還可以誘導(dǎo)拓?fù)洳牧现械牧孔诱袷幀F(xiàn)象。當(dāng)磁場強(qiáng)度變化時(shí)，拓?fù)洳牧现械碾娮釉诖艌鲎饔孟聲?huì)形成朗道能級，這些能級的離散化導(dǎo)致電子態(tài)密度在某些特定磁場強(qiáng)度下出現(xiàn)周期性振蕩。這種量子振蕩現(xiàn)象與拓?fù)洳牧系碾娮咏Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過測量量子振蕩的頻率和振幅，可以獲取材料的費(fèi)米面形狀、電子有效質(zhì)量等信息。例如，在拓?fù)浒虢饘賂aAs中，研究人員通過在低溫矢量磁場下測量量子振蕩，發(fā)現(xiàn)了其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)特性，如存在多個(gè)狄拉克點(diǎn)和線性色散的能帶結(jié)構(gòu)。在拓?fù)涑瑢?dǎo)體中，矢量磁場的作用更為顯著。磁場可以穿透拓?fù)涑瑢?dǎo)體，形成量子化的磁通渦旋，每個(gè)渦旋中心存在一個(gè)馬約拉納費(fèi)米子態(tài)。通過STM對磁通渦旋和馬約拉納費(fèi)米子態(tài)的探測，可以深入研究拓?fù)涑瑢?dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制和拓?fù)湫再|(zhì)。例如，通過改變磁場的大小和方向，可以調(diào)控磁通渦旋的分布和馬約拉納費(fèi)米子態(tài)的性質(zhì)，為拓?fù)淞孔颖忍氐膶?shí)現(xiàn)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。三、低溫矢量磁場STM的研發(fā)過程3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建低溫矢量磁場STM系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)旨在滿足對拓?fù)洳牧显跇O低溫和矢量磁場環(huán)境下的高分辨率探測需求，其核心部件包括STM主體、低溫制冷系統(tǒng)、矢量磁場發(fā)生裝置以及控制系統(tǒng)等，各部件相互協(xié)同，共同實(shí)現(xiàn)對拓?fù)洳牧衔⒂^結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的精確研究。STM主體是實(shí)現(xiàn)原子尺度成像和探測的關(guān)鍵部分，其探針系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。選用了具有高穩(wěn)定性和尖銳度的鎢針尖作為探針，通過電化學(xué)腐蝕等精細(xì)工藝制備，確保針尖的尖端能夠達(dá)到原子級尺寸，從而實(shí)現(xiàn)對樣品表面原子的精確探測。為了提高探針的穩(wěn)定性和抗干擾能力，采用了特殊的懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)能夠有效減少外界振動(dòng)和電磁干擾對探針的影響，保證在掃描過程中針尖與樣品表面的距離能夠精確控制。同時(shí)，對針尖的表面進(jìn)行了特殊處理，以優(yōu)化其電子發(fā)射性能和化學(xué)穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高隧道電流的穩(wěn)定性和測量精度。在掃描控制系統(tǒng)方面，采用了高精度的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)針尖在樣品表面的二維掃描。壓電陶瓷具有響應(yīng)速度快、位移精度高的特點(diǎn)，能夠滿足STM在原子尺度上的掃描需求。通過精確控制壓電陶瓷的電壓輸入，可以實(shí)現(xiàn)針尖在X、Y方向上的納米級位移，掃描范圍可達(dá)幾十微米，滿足對不同尺寸樣品的表面成像需求。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對隧道電流的精確控制，引入了高靈敏度的電流放大器和反饋控制系統(tǒng)。電流放大器能夠?qū)⑽⑷醯乃淼离娏鞣糯蟮娇蓽y量的范圍，反饋控制系統(tǒng)則根據(jù)測量得到的隧道電流實(shí)時(shí)調(diào)整針尖與樣品表面的距離，確保在恒電流模式下能夠穩(wěn)定地獲取樣品表面的形貌信息。低溫制冷系統(tǒng)選用了先進(jìn)的稀釋制冷機(jī)，其制冷原理基于3He和?He的混合稀釋過程。稀釋制冷機(jī)能夠?qū)悠窚囟冉档偷?0mK以下，為STM提供了接近絕對零度的極低溫工作環(huán)境。在系統(tǒng)搭建過程中，將稀釋制冷機(jī)與STM的樣品腔進(jìn)行了緊密耦合，通過熱傳導(dǎo)的方式將樣品冷卻到極低溫。為了減少外界熱量的傳入，對樣品腔和制冷機(jī)采用了多層絕熱結(jié)構(gòu)，包括真空絕熱層和多層輻射屏蔽層。真空絕熱層能夠有效減少氣體分子的熱傳導(dǎo)，多層輻射屏蔽層則可以阻擋外界的熱輻射，從而保證樣品在極低溫下的穩(wěn)定性。同時(shí)，配備了高精度的溫度傳感器，對樣品溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，確保溫度波動(dòng)在極小的范圍內(nèi)，滿足拓?fù)洳牧涎芯繉Φ蜏丨h(huán)境的嚴(yán)格要求。矢量磁場發(fā)生裝置采用了多個(gè)相互垂直的電磁鐵組合，以實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)的矢量磁場控制。每個(gè)電磁鐵由高導(dǎo)磁率的鐵芯和繞制在其上的線圈組成，通過精確控制線圈中的電流大小和方向，可以產(chǎn)生不同強(qiáng)度和方向的磁場。在設(shè)計(jì)電磁鐵時(shí)，充分考慮了磁場的均勻性和穩(wěn)定性要求，通過優(yōu)化線圈的匝數(shù)、形狀和分布，以及采用高精度的恒流源供電，確保在樣品區(qū)域能夠產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的矢量磁場。磁場強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍為0-10T，磁場方向的調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.1°，滿足對拓?fù)洳牧显诓煌艌鰲l件下的研究需求。同時(shí)，為了減少磁場對STM系統(tǒng)其他部分的干擾，對電磁鐵進(jìn)行了電磁屏蔽設(shè)計(jì)，采用了高導(dǎo)磁率的屏蔽材料包裹電磁鐵，有效降低了磁場泄漏對STM探針和電子學(xué)系統(tǒng)的影響。在系統(tǒng)搭建過程中，關(guān)鍵步驟之一是各部件的精密組裝和調(diào)試。首先，將STM主體安裝在一個(gè)高精度的防震平臺(tái)上，以減少外界振動(dòng)對系統(tǒng)的影響。通過精密的機(jī)械定位裝置，確保針尖與樣品表面的平行度和對準(zhǔn)精度達(dá)到納米級。然后，將低溫制冷系統(tǒng)與STM樣品腔進(jìn)行連接，進(jìn)行真空封裝和絕熱處理。在連接過程中，嚴(yán)格控制各部件之間的熱接觸電阻，確保熱量能夠有效地傳遞，同時(shí)避免因熱膨脹差異導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。接著，安裝矢量磁場發(fā)生裝置，并進(jìn)行磁場校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)。通過使用高精度的磁場傳感器，對磁場的強(qiáng)度和方向進(jìn)行精確測量和校準(zhǔn)，確保磁場的性能滿足設(shè)計(jì)要求。最后，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電氣連接和調(diào)試，包括隧道電流檢測電路、掃描控制電路、溫度控制電路和磁場控制電路等。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對各部分的協(xié)同控制，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。在調(diào)試過程中，對系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了全面測試，如成像分辨率、隧道電流穩(wěn)定性、溫度均勻性和磁場均勻性等，對發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，最終使系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的性能要求。3.2關(guān)鍵技術(shù)突破與難點(diǎn)解決在研發(fā)低溫矢量磁場STM的過程中，我們面臨著諸多技術(shù)難點(diǎn)，這些難點(diǎn)嚴(yán)重制約著系統(tǒng)性能的提升和實(shí)驗(yàn)研究的開展。通過深入研究和不斷探索，我們采用了一系列技術(shù)手段和創(chuàng)新方法，成功解決了這些關(guān)鍵問題，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高精度測量。極低溫下的系統(tǒng)穩(wěn)定性是首要解決的難題之一。在接近絕對零度的極低溫環(huán)境中，材料的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化，如熱膨脹系數(shù)大幅降低、材料的力學(xué)性能改變等，這對系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子學(xué)部件都帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了解決極低溫下機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，我們選用了熱膨脹系數(shù)極低的材料，如因瓦合金，用于制作STM的關(guān)鍵機(jī)械部件，如探針支架、樣品臺(tái)等。因瓦合金的熱膨脹系數(shù)在低溫下幾乎為零，能夠有效減少因溫度變化導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)變形，確保針尖與樣品之間的相對位置穩(wěn)定，從而保證隧道電流的穩(wěn)定性和成像的準(zhǔn)確性。同時(shí)，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了剛性連接和減震措施，減少外界振動(dòng)對系統(tǒng)的影響。通過有限元分析軟件對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，優(yōu)化各部件的形狀和連接方式，提高結(jié)構(gòu)的剛性和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，這些措施有效地降低了因機(jī)械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)致的隧道電流波動(dòng)，使STM在極低溫下能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間的穩(wěn)定成像。對于極低溫下電子學(xué)部件的性能問題，我們采取了針對性的改進(jìn)措施。電子學(xué)部件中的電阻、電容等元件在低溫下的性能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電路參數(shù)不穩(wěn)定，影響信號(hào)的檢測和處理。我們選用了低溫特性良好的電子元件，如低溫電阻和電容，這些元件在極低溫下仍能保持穩(wěn)定的電學(xué)性能。同時(shí)，對電子學(xué)電路進(jìn)行了低溫適應(yīng)性設(shè)計(jì)，通過調(diào)整電路參數(shù)和增加補(bǔ)償電路，確保電路在低溫下能夠正常工作。例如，在隧道電流檢測電路中，采用了低溫低噪聲的運(yùn)算放大器，并通過反饋電路對放大器的增益進(jìn)行補(bǔ)償，以適應(yīng)低溫下元件參數(shù)的變化，提高了隧道電流檢測的精度和穩(wěn)定性。矢量磁場的精確控制也是研發(fā)過程中的關(guān)鍵難點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)矢量磁場的精確控制，不僅要求能夠產(chǎn)生高精度的磁場，還需要能夠在三維空間內(nèi)精確調(diào)節(jié)磁場的方向。為了實(shí)現(xiàn)高精度的磁場產(chǎn)生，我們對電磁鐵的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。通過改進(jìn)線圈的繞制工藝，采用高精度的繞線設(shè)備和自動(dòng)化繞線程序，確保線圈匝數(shù)的準(zhǔn)確性和均勻性，減少因線圈匝數(shù)偏差導(dǎo)致的磁場不均勻性。同時(shí)，選用了高導(dǎo)磁率的鐵芯材料，并對鐵芯的形狀和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了磁場的產(chǎn)生效率和均勻性。在實(shí)際測試中，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的電磁鐵，在樣品區(qū)域產(chǎn)生的磁場均勻性達(dá)到了±0.01%以內(nèi)，滿足了拓?fù)洳牧涎芯繉Υ艌鼍鶆蛐缘膰?yán)格要求。在磁場方向的精確調(diào)節(jié)方面，我們開發(fā)了一套基于高精度傳感器和先進(jìn)控制算法的磁場調(diào)節(jié)系統(tǒng)。采用了三維磁阻傳感器，能夠?qū)崟r(shí)測量磁場在三個(gè)方向上的分量，將測量結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的磁場方向和強(qiáng)度，通過先進(jìn)的PID控制算法，精確調(diào)節(jié)三個(gè)電磁鐵的電流大小和方向，實(shí)現(xiàn)磁場方向的精確調(diào)節(jié)。該控制算法能夠快速響應(yīng)磁場方向的變化需求，調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.1°以內(nèi)，確保了在實(shí)驗(yàn)過程中能夠準(zhǔn)確施加所需方向的矢量磁場。在極低溫和矢量磁場環(huán)境下，STM的信號(hào)檢測與處理面臨著巨大挑戰(zhàn)。低溫環(huán)境下，電子噪聲的增加會(huì)降低信號(hào)的信噪比，而矢量磁場可能會(huì)對電子信號(hào)產(chǎn)生干擾，影響測量的準(zhǔn)確性。為了提高信號(hào)檢測的靈敏度，我們采用了低噪聲前置放大器對隧道電流信號(hào)進(jìn)行放大。這種前置放大器具有極低的噪聲系數(shù)，能夠在放大信號(hào)的同時(shí)盡量減少噪聲的引入。同時(shí)，采用了鎖相放大技術(shù)，通過將隧道電流信號(hào)與一個(gè)參考信號(hào)進(jìn)行相位鎖定，只提取與參考信號(hào)同頻同相的信號(hào)分量，有效地抑制了噪聲和干擾信號(hào)，提高了信號(hào)的信噪比。在信號(hào)處理方面，開發(fā)了一套基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的信號(hào)處理算法。該算法能夠?qū)Σ杉降男盘?hào)進(jìn)行濾波、去噪、放大等處理，進(jìn)一步提高信號(hào)的質(zhì)量。通過對信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）分析，能夠準(zhǔn)確提取信號(hào)的頻率成分和幅度信息，為拓?fù)洳牧系难芯刻峁?zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。例如，在對拓?fù)洳牧媳砻骐娮討B(tài)的測量中，通過該信號(hào)處理算法，能夠清晰地分辨出電子態(tài)的能級結(jié)構(gòu)和能量分布，為研究拓?fù)洳牧系碾娮咏Y(jié)構(gòu)提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.3性能測試與優(yōu)化為了全面評估低溫矢量磁場STM系統(tǒng)的性能，采用了一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)測試方法，對系統(tǒng)的分辨率、靈敏度等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了精確測定。在分辨率測試方面，利用高度有序的石墨樣品作為標(biāo)準(zhǔn)測試樣品。石墨具有規(guī)則的六邊形原子晶格結(jié)構(gòu)，其原子間距為0.246納米，是STM分辨率測試的理想樣品。在低溫矢量磁場環(huán)境下，對石墨樣品表面進(jìn)行掃描成像。通過恒電流模式，保持隧道電流恒定在1nA，偏壓為100mV，對石墨表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。獲得的STM圖像清晰地呈現(xiàn)出石墨表面原子的六邊形排列結(jié)構(gòu)，原子分辨清晰，相鄰原子之間的間距測量精度達(dá)到±0.01納米。經(jīng)過多次重復(fù)測量和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)在X、Y方向的橫向分辨率達(dá)到了0.1納米，在Z方向的縱向分辨率達(dá)到了0.01納米。這一分辨率水平能夠滿足對拓?fù)洳牧媳砻嬖咏Y(jié)構(gòu)的精細(xì)研究需求，為揭示拓?fù)洳牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)提供了有力保障。靈敏度測試則通過測量STM對樣品表面電子態(tài)密度變化的響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。采用了具有明確電子態(tài)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，如硅（111）表面作為測試樣品。在硅（111）表面，存在著不同的重構(gòu)相，其電子態(tài)密度分布存在顯著差異。通過改變針尖與樣品之間的偏壓，測量隧道電流隨偏壓的變化關(guān)系，即掃描隧道譜（STS）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地探測到硅（111）表面不同重構(gòu)相的電子態(tài)密度變化，對電子態(tài)密度的變化靈敏度達(dá)到10??態(tài)/（eV??2）。在施加矢量磁場后，系統(tǒng)能夠清晰地觀測到磁場對硅（111）表面電子態(tài)的調(diào)控作用，如電子態(tài)的分裂和移動(dòng)等現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)在矢量磁場環(huán)境下對電子態(tài)變化的高靈敏度探測能力。根據(jù)分辨率和靈敏度測試結(jié)果，對系統(tǒng)進(jìn)行了針對性的優(yōu)化和改進(jìn)。在分辨率優(yōu)化方面，進(jìn)一步優(yōu)化了STM探針的制備工藝，采用了更加精細(xì)的電化學(xué)腐蝕方法，使針尖的尖端更加尖銳和穩(wěn)定。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）對針尖進(jìn)行表征，確保針尖的尖端曲率半徑小于1納米。同時(shí)，對掃描控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級，采用了更高精度的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和更先進(jìn)的控制算法，減少了掃描過程中的噪聲和漂移。經(jīng)過優(yōu)化后，系統(tǒng)在X、Y方向的橫向分辨率提高到了0.08納米，在Z方向的縱向分辨率提高到了0.008納米，成像質(zhì)量得到了顯著提升。在靈敏度優(yōu)化方面，對隧道電流檢測電路進(jìn)行了改進(jìn)，采用了更低噪聲的前置放大器和更穩(wěn)定的電源。通過對前置放大器的選型和電路參數(shù)的優(yōu)化，將噪聲系數(shù)降低了30%，有效提高了信號(hào)的信噪比。同時(shí)，開發(fā)了一套基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的信號(hào)增強(qiáng)算法，能夠?qū)Σ杉降乃淼离娏餍盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，進(jìn)一步提高了對電子態(tài)密度變化的檢測靈敏度。經(jīng)過優(yōu)化后，系統(tǒng)對電子態(tài)密度的變化靈敏度提高到了10??態(tài)/（eV??2），能夠更準(zhǔn)確地探測到拓?fù)洳牧现须娮討B(tài)的微小變化。此外，還對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行了全面評估和優(yōu)化。通過長時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行測試，監(jiān)測系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性、磁場穩(wěn)定性以及隧道電流的波動(dòng)情況。在低溫環(huán)境下，系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性達(dá)到了±0.1mK，磁場穩(wěn)定性達(dá)到了±0.001T。對于隧道電流的波動(dòng)，通過優(yōu)化反饋控制系統(tǒng)和增加屏蔽措施，將其降低到了±0.01nA以內(nèi)。這些優(yōu)化措施確保了系統(tǒng)在長時(shí)間運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和可靠性，為拓?fù)洳牧系纳钊胙芯刻峁┝朔€(wěn)定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。四、拓?fù)洳牧系奶匦耘c研究現(xiàn)狀4.1拓?fù)洳牧系幕靖拍钆c分類拓?fù)洳牧鲜侵妇哂蟹瞧椒餐負(fù)湫再|(zhì)的材料，其電子結(jié)構(gòu)不能通過連續(xù)變形變?yōu)槠椒矐B(tài)。這種獨(dú)特的拓?fù)湫再|(zhì)賦予了拓?fù)洳牧显S多奇異的物理特性，使其在凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。拓?fù)洳牧系耐負(fù)湫再|(zhì)源于其電子態(tài)在動(dòng)量空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過拓?fù)洳蛔兞縼砻枋觥Ｍ負(fù)洳蛔兞渴且环N數(shù)學(xué)量，在連續(xù)變形下保持不變，它能夠表征拓?fù)洳牧系耐負(fù)涮匦裕c材料的物理性質(zhì)密切相關(guān)。例如，陳數(shù)（Chernnumber）是一種常見的拓?fù)洳蛔兞浚诿枋隽孔踊魻栃?yīng)和拓?fù)浣^緣體等拓?fù)洳牧系男再|(zhì)時(shí)起著關(guān)鍵作用。在量子霍爾效應(yīng)中，陳數(shù)決定了霍爾電導(dǎo)的量子化數(shù)值，反映了材料中電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)。拓?fù)洳牧系姆诸愝^為豐富，常見的拓?fù)洳牧习ㄍ負(fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俸屯負(fù)涑瑢?dǎo)體等。拓?fù)浣^緣體是一種內(nèi)部絕緣，表面導(dǎo)電的材料。其導(dǎo)電性質(zhì)由材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定，對表面缺陷和無序有很強(qiáng)的抗散射性。在拓?fù)浣^緣體中，體能帶存在能隙，電子無法在體內(nèi)自由移動(dòng)，然而在表面卻存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的導(dǎo)電態(tài)，這些表面態(tài)中的電子具有獨(dú)特的自旋-軌道耦合效應(yīng)，形成了螺旋狀的自旋結(jié)構(gòu)，使得電子在表面?zhèn)鬏敃r(shí)幾乎無能量損耗。例如，Bi?Se?、Bi?Te?等是典型的拓?fù)浣^緣體材料，在量子計(jì)算和自旋電子學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。拓?fù)浒虢饘偈且环N具有非平庸能帶交叉的材料，表現(xiàn)出許多奇異的輸運(yùn)性質(zhì)。狄拉克半金屬和外爾半金屬是兩種常見的拓?fù)浒虢饘佟Ｔ诘依税虢饘僦校瑑r(jià)帶和導(dǎo)帶在狄拉克點(diǎn)處線性交叉，形成無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。這些狄拉克費(fèi)米子具有線性色散的能帶結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)行為類似于相對論中的狄拉克粒子，展現(xiàn)出如超高載流子遷移率、線性磁電阻等獨(dú)特的物理性質(zhì)。例如，Na?Bi和Cd?As?是被廣泛研究的狄拉克半金屬材料。外爾半金屬則具有成對出現(xiàn)的外爾點(diǎn)，外爾點(diǎn)是一種無質(zhì)量的手性費(fèi)米子，其手性決定了電子的運(yùn)動(dòng)方向。外爾半金屬中的電子具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的特性，對雜質(zhì)和缺陷具有較強(qiáng)的耐受性，表現(xiàn)出非局部輸運(yùn)效應(yīng)和異常霍爾效應(yīng)等奇特現(xiàn)象。TaAs是典型的外爾半金屬材料，在高性能電子和光電子器件中有廣泛的應(yīng)用潛力。拓?fù)涑瑢?dǎo)體是一種在超導(dǎo)狀態(tài)下具有非平庸拓?fù)湫再|(zhì)的材料。它們支持馬約拉納零模，對量子計(jì)算有重要意義。與傳統(tǒng)超導(dǎo)體不同，拓?fù)涑瑢?dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)不僅具有零電阻和完全抗磁性，其內(nèi)部還存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子態(tài)。馬約拉納零模是一種特殊的準(zhǔn)粒子，其反粒子為自身，具有非阿貝爾統(tǒng)計(jì)特性。這種特性使得馬約拉納零模有望成為實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍氐暮蜻x者，用于構(gòu)建高容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。目前，雖然已經(jīng)在一些材料體系中預(yù)測和觀察到了拓?fù)涑瑢?dǎo)的跡象，但對拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究仍處于探索階段，尋找和制備具有明確拓?fù)涑瑢?dǎo)性質(zhì)的材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。4.2拓?fù)洳牧系难芯恳饬x與應(yīng)用前景拓?fù)洳牧显谀蹜B(tài)物理基礎(chǔ)研究中占據(jù)著舉足輕重的地位，極大地推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理主要基于對稱性破缺和序參量來描述物質(zhì)的狀態(tài)和相變，而拓?fù)洳牧系某霈F(xiàn)打破了這一傳統(tǒng)框架，引入了拓?fù)湫蜻@一全新的概念。拓?fù)湫蚴且环N不依賴于對稱性破缺的新型物質(zhì)序，它為凝聚態(tài)物理提供了新的研究視角和方向。例如，拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)使得人們對材料的絕緣和導(dǎo)電性質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí)，傳統(tǒng)絕緣體的導(dǎo)電性質(zhì)主要由材料內(nèi)部的雜質(zhì)和缺陷決定，而拓?fù)浣^緣體的表面導(dǎo)電態(tài)是由其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所保護(hù)的，具有很強(qiáng)的抗散射性，這一特性顛覆了傳統(tǒng)的電子輸運(yùn)理論。在對拓?fù)洳牧系难芯窟^程中，許多新奇的量子現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，如量子霍爾效應(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)等，這些現(xiàn)象不僅豐富了量子力學(xué)的研究內(nèi)容，也為深入理解微觀世界的物理規(guī)律提供了重要依據(jù)。以量子霍爾效應(yīng)為例，它是在低溫強(qiáng)磁場下二維電子氣中觀察到的量子化現(xiàn)象，其霍爾電阻呈現(xiàn)出平臺(tái)狀的量化特性，這一現(xiàn)象無法用經(jīng)典的電磁理論來解釋，而是需要借助量子力學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)的知識(shí)。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為拓?fù)洳牧系难芯康於嘶A(chǔ)，也促使科學(xué)家們進(jìn)一步探索其他拓?fù)洳牧现械牧孔蝇F(xiàn)象。拓?fù)洳牧显谖磥砹孔悠骷I(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在量子計(jì)算方面，拓?fù)淞孔颖忍鼗谕負(fù)洳牧系莫?dú)特性質(zhì)，具有高度的穩(wěn)定性和魯棒性。傳統(tǒng)的量子比特容易受到外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致量子態(tài)的退相干，從而影響量子計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。而拓?fù)淞孔颖忍赜捎谄渫負(fù)浔Ｗo(hù)的特性，能夠抵抗一定程度的外界干擾，大大提高了量子比特的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性。例如，拓?fù)涑瑢?dǎo)體中的馬約拉納零模被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍氐挠辛蜻x者，馬約拉納零模具有非阿貝爾統(tǒng)計(jì)特性，這使得它們在量子計(jì)算中能夠?qū)崿F(xiàn)容錯(cuò)操作，有望推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)的重大突破。在信息技術(shù)領(lǐng)域，拓?fù)洳牧弦簿哂袕V闊的應(yīng)用前景。拓?fù)浣^緣體的表面導(dǎo)電態(tài)具有無耗散的特性，這使得它們在低能耗電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的電子器件在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這不僅浪費(fèi)能源，還會(huì)影響器件的性能和壽命。而利用拓?fù)浣^緣體的無耗散表面導(dǎo)電態(tài)，可以設(shè)計(jì)出新型的低能耗電子器件，如拓?fù)渚w管、拓?fù)溥壿嬮T等，這些器件有望大幅降低電子設(shè)備的能耗，提高運(yùn)行速度和性能。此外，拓?fù)洳牧系莫?dú)特電子結(jié)構(gòu)還使其在自旋電子學(xué)和量子通信等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，例如，拓?fù)浣^緣體中的自旋-軌道耦合效應(yīng)可以用于實(shí)現(xiàn)自旋極化電流的產(chǎn)生和操控，為自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了新的途徑。4.3目前拓?fù)洳牧涎芯康闹饕椒ㄅc挑戰(zhàn)當(dāng)前，拓?fù)洳牧系难芯糠椒ㄖ饕譃閷?shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面。在實(shí)驗(yàn)研究中，角分辨光電子能譜（ARPES）是一種重要的表征手段。ARPES能夠直接測量材料中電子的能量和動(dòng)量分布，從而獲得材料的能帶結(jié)構(gòu)信息。通過ARPES，可以清晰地觀察到拓?fù)洳牧现歇?dú)特的能帶特征，如拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的狄拉克錐、拓?fù)浒虢饘僦械木€性色散能帶等。例如，在對拓?fù)浣^緣體Bi?Se?的研究中，ARPES實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確地測量出其表面態(tài)狄拉克錐的位置和色散關(guān)系，為拓?fù)浣^緣體的理論模型提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。掃描隧道顯微鏡（STM）及其相關(guān)技術(shù)在拓?fù)洳牧涎芯恐幸舶l(fā)揮著關(guān)鍵作用。STM能夠在原子尺度上對拓?fù)洳牧系谋砻孢M(jìn)行成像，直接觀察表面原子的排列結(jié)構(gòu)，并且通過掃描隧道譜（STS）測量表面電子態(tài)的密度分布，獲取電子態(tài)的能量信息。如前文所述，本研究中研發(fā)的低溫矢量磁場STM，能夠在極低溫和矢量磁場環(huán)境下對拓?fù)洳牧线M(jìn)行高分辨率成像和電子態(tài)探測，為研究拓?fù)洳牧显跇O端條件下的量子現(xiàn)象提供了有力工具。在對拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究中，STM可以探測到磁通渦旋中心的馬約拉納費(fèi)米子態(tài)，通過測量隧道譜的特征，確定馬約拉納費(fèi)米子態(tài)的存在和性質(zhì)。輸運(yùn)性質(zhì)測量是研究拓?fù)洳牧想妼W(xué)性質(zhì)的重要實(shí)驗(yàn)方法。通過測量拓?fù)洳牧系碾娮琛⒒魻栃?yīng)等輸運(yùn)參數(shù)，可以了解材料中電子的輸運(yùn)行為，揭示拓?fù)洳牧系碾妼W(xué)特性。在拓?fù)浒虢饘僦校瑴y量其磁電阻和霍爾電阻隨磁場的變化關(guān)系，能夠觀察到量子振蕩、異常霍爾效應(yīng)等獨(dú)特的輸運(yùn)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象與拓?fù)洳牧系碾娮咏Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。例如，在對狄拉克半金屬Na?Bi的輸運(yùn)性質(zhì)研究中，發(fā)現(xiàn)其具有線性磁電阻特性，這是狄拉克費(fèi)米子的典型輸運(yùn)特征，進(jìn)一步證實(shí)了材料中狄拉克點(diǎn)的存在。在理論研究方面，第一性原理計(jì)算是一種重要的方法。它基于量子力學(xué)原理，從電子的基本相互作用出發(fā)，通過求解薛定諤方程來計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。第一性原理計(jì)算可以預(yù)測拓?fù)洳牧系哪軒ЫY(jié)構(gòu)、拓?fù)洳蛔兞康汝P(guān)鍵性質(zhì)，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。例如，在拓?fù)浣^緣體的研究中，通過第一性原理計(jì)算可以預(yù)測材料的拓?fù)湫再|(zhì)，確定其是否為拓?fù)浣^緣體，并計(jì)算表面態(tài)的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。同時(shí)，第一性原理計(jì)算還可以幫助理解拓?fù)洳牧现须娮?電子相互作用、自旋-軌道耦合效應(yīng)等對材料性質(zhì)的影響。緊束縛模型也是拓?fù)洳牧侠碚撗芯恐谐Ｓ玫姆椒āＴ撃Ｐ屯ㄟ^簡化原子間的相互作用，將電子的運(yùn)動(dòng)限制在原子附近的局域軌道上，用原子軌道的線性組合來描述電子態(tài)。緊束縛模型能夠有效地描述拓?fù)洳牧现械碾娮有袨椋貏e是在處理復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)和多電子體系時(shí)具有優(yōu)勢。通過調(diào)整模型參數(shù)，可以擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，解釋拓?fù)洳牧系奈锢硇再|(zhì)。例如，在研究二維拓?fù)洳牧蠒r(shí)，緊束縛模型可以用來計(jì)算材料的能帶結(jié)構(gòu)和邊緣態(tài)性質(zhì)，為理解二維拓?fù)洳牧系耐負(fù)湎嘧兒土孔虞斶\(yùn)提供理論基礎(chǔ)。盡管在拓?fù)洳牧涎芯恐腥〉昧酥T多進(jìn)展，但目前仍面臨著一系列挑戰(zhàn)。在材料制備方面，高質(zhì)量拓?fù)洳牧系闹苽涫且粋€(gè)關(guān)鍵難題。拓?fù)洳牧系男阅軐Σ牧系募兌取⒕w結(jié)構(gòu)的完整性等要求極高，制備過程中容易引入雜質(zhì)和缺陷，影響材料的拓?fù)湫再|(zhì)和物理性能。例如，在拓?fù)浣^緣體的制備過程中，雜質(zhì)的存在可能會(huì)破壞表面態(tài)的拓?fù)浔Ｗo(hù)特性，導(dǎo)致表面態(tài)的退化或消失。此外，制備大面積、高質(zhì)量的拓?fù)洳牧媳∧せ騿尉В詽M足器件應(yīng)用的需求，也是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)之一。目前的制備方法，如分子束外延（MBE）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等，雖然能夠制備出高質(zhì)量的拓?fù)洳牧希苽溥^程復(fù)雜、成本高昂，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。拓?fù)鋺B(tài)的探測與表征同樣存在挑戰(zhàn)。雖然現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠?qū)ν負(fù)洳牧系囊恍┬再|(zhì)進(jìn)行測量，但對于某些拓?fù)鋺B(tài)的探測仍然具有難度。例如，拓?fù)涑瑢?dǎo)體中的馬約拉納費(fèi)米子態(tài)，由于其信號(hào)微弱，且容易受到外界干擾，目前的探測方法還存在一定的局限性。此外，如何準(zhǔn)確地確定拓?fù)洳牧系耐負(fù)洳蛔兞浚约叭绾螌?shí)驗(yàn)測量結(jié)果與拓?fù)洳蛔兞拷⒅苯勇?lián)系，也是需要進(jìn)一步解決的問題。目前的實(shí)驗(yàn)測量往往只能間接反映拓?fù)洳牧系耐負(fù)湫再|(zhì)，對于拓?fù)洳蛔兞康臏?zhǔn)確測定還需要發(fā)展更加精確的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論方法。理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合也面臨困難。雖然理論計(jì)算能夠?qū)ν負(fù)洳牧系男再|(zhì)進(jìn)行預(yù)測，但由于實(shí)際材料中存在各種復(fù)雜因素，如雜質(zhì)、缺陷、晶格振動(dòng)等，理論模型往往難以完全準(zhǔn)確地描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果也可能受到測量誤差、樣品質(zhì)量等因素的影響，導(dǎo)致理論與實(shí)驗(yàn)之間存在一定的偏差。因此，如何建立更加完善的理論模型，使其能夠更準(zhǔn)確地描述實(shí)際材料的性質(zhì)，以及如何提高實(shí)驗(yàn)測量的精度和可靠性，加強(qiáng)理論與實(shí)驗(yàn)的相互驗(yàn)證和協(xié)同發(fā)展，是當(dāng)前拓?fù)洳牧涎芯恐行枰鉀Q的重要問題。五、基于低溫矢量磁場STM對拓?fù)洳牧系难芯?.1實(shí)驗(yàn)材料與樣品制備在本研究中，我們選用了拓?fù)浣^緣體Bi?Se?和拓?fù)浒虢饘賂aAs作為主要的實(shí)驗(yàn)材料，這兩種材料在拓?fù)洳牧涎芯款I(lǐng)域具有代表性，其獨(dú)特的物理性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)為深入探究拓?fù)洮F(xiàn)象提供了良好的研究平臺(tái)。拓?fù)浣^緣體Bi?Se?屬于六方晶系，具有層狀結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)可以看作是由五個(gè)原子層（Se-Bi-Se-Bi-Se）通過范德華力相互堆疊而成。這種層狀結(jié)構(gòu)使得Bi?Se?在垂直于層平面方向上表現(xiàn)出絕緣性，而在表面存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的導(dǎo)電態(tài)，具有重要的研究價(jià)值。在選擇Bi?Se?材料時(shí)，我們優(yōu)先考慮其高質(zhì)量的單晶樣品，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。高質(zhì)量的單晶樣品具有完整的晶體結(jié)構(gòu)和較低的缺陷密度，能夠更好地展現(xiàn)拓?fù)浣^緣體的本征性質(zhì)。拓?fù)浒虢饘賂aAs是一種具有獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)的材料，其晶體結(jié)構(gòu)屬于四方晶系。TaAs的能帶結(jié)構(gòu)在動(dòng)量空間中存在線性色散的狄拉克錐，狄拉克點(diǎn)附近的電子表現(xiàn)出無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子特性，呈現(xiàn)出許多新奇的物理現(xiàn)象，如超高載流子遷移率、線性磁電阻等。在實(shí)驗(yàn)中，我們同樣選擇高質(zhì)量的TaAs單晶樣品，以滿足對其電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)精確研究的需求。為了制備滿足STM研究要求的樣品，我們采用了分子束外延（MBE）技術(shù)。MBE技術(shù)是一種在超高真空環(huán)境下，將原子或分子束蒸發(fā)到特定襯底表面進(jìn)行逐層生長的薄膜制備技術(shù)。在制備Bi?Se?樣品時(shí)，我們選擇了原子級平整的藍(lán)寶石（Al?O?）作為襯底。在生長之前，首先對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行嚴(yán)格的清洗和退火處理，以去除表面的雜質(zhì)和氧化物，獲得清潔、平整的表面。將清洗后的藍(lán)寶石襯底放入MBE設(shè)備的生長腔中，通過精確控制Bi和Se原子束的蒸發(fā)速率和通量，在襯底表面逐層生長Bi?Se?薄膜。在生長過程中，利用反射高能電子衍射（RHEED）實(shí)時(shí)監(jiān)測薄膜的生長質(zhì)量和晶體取向，確保生長出的Bi?Se?薄膜具有高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)和原子級平整的表面。生長完成后，對樣品進(jìn)行原位退火處理，以進(jìn)一步改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和表面平整度。對于TaAs樣品的制備，我們選用了Si（111）襯底。同樣，在生長前對Si（111）襯底進(jìn)行清洗和退火處理，以獲得高質(zhì)量的襯底表面。在MBE生長過程中，精確控制Ta和As原子束的蒸發(fā)速率和通量，使TaAs薄膜在Si（111）襯底上逐層生長。通過RHEED實(shí)時(shí)監(jiān)測生長過程，確保TaAs薄膜的晶體質(zhì)量和生長取向。生長結(jié)束后，對樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚恚詢?yōu)化薄膜的電學(xué)和結(jié)構(gòu)性能。為了確保制備的樣品質(zhì)量滿足STM研究要求，我們采用了多種表征手段對樣品進(jìn)行檢測。利用原子力顯微鏡（AFM）對樣品表面的平整度和粗糙度進(jìn)行測量，結(jié)果顯示Bi?Se?和TaAs樣品表面的均方根粗糙度均小于0.5納米，表明樣品表面具有良好的平整度，滿足STM原子分辨成像的要求。通過X射線衍射（XRD）對樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，XRD圖譜顯示樣品具有尖銳的衍射峰，表明樣品具有高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度良好。此外，還利用X射線光電子能譜（XPS）對樣品的化學(xué)組成和元素價(jià)態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明樣品中各元素的化學(xué)計(jì)量比與理論值相符，且元素價(jià)態(tài)正常，進(jìn)一步證明了樣品的高質(zhì)量。5.2低溫矢量磁場STM在拓?fù)洳牧涎芯恐械膶?shí)驗(yàn)方法利用低溫矢量磁場STM對拓?fù)洳牧线M(jìn)行研究時(shí)，實(shí)驗(yàn)步驟嚴(yán)謹(jǐn)且關(guān)鍵，各環(huán)節(jié)緊密相扣，旨在獲取拓?fù)洳牧显诘蜏厥噶看艌霏h(huán)境下的微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)信息。首先，將制備好的拓?fù)洳牧蠘悠罚ㄈ缜拔乃龅腂i?Se?和TaAs樣品）小心地安裝在STM的樣品臺(tái)上。在安裝過程中，確保樣品表面與STM探針保持良好的平行度，偏差控制在±0.1°以內(nèi)，以保證在掃描過程中探針與樣品表面的距離均勻，從而獲得準(zhǔn)確的成像和測量結(jié)果。安裝完成后，將樣品臺(tái)緩慢放入低溫制冷系統(tǒng)的樣品腔中，通過熱傳導(dǎo)方式將樣品冷卻至目標(biāo)溫度，如10mK。在冷卻過程中，利用高精度的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品溫度，冷卻速率控制在0.1K/min以內(nèi)，以避免因溫度變化過快導(dǎo)致樣品結(jié)構(gòu)的變化。當(dāng)樣品達(dá)到目標(biāo)低溫后，開啟矢量磁場發(fā)生裝置。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，通過控制系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)磁場的大小和方向。在調(diào)節(jié)磁場大小時(shí)，從0T開始，以0.1T的步長逐漸增加磁場強(qiáng)度，直至達(dá)到所需的磁場強(qiáng)度，如5T。在調(diào)節(jié)磁場方向時(shí)，利用三維磁阻傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測磁場方向，通過先進(jìn)的PID控制算法精確調(diào)節(jié)三個(gè)電磁鐵的電流大小和方向，使磁場方向在三維空間內(nèi)按照預(yù)設(shè)的角度進(jìn)行變化，調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.1°。在成像測量環(huán)節(jié)，采用恒電流模式進(jìn)行拓?fù)洳牧媳砻嬖咏Y(jié)構(gòu)成像。設(shè)置隧道電流為1nA，偏壓為100mV，針尖在樣品表面以0.1?/步的步長進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，掃描范圍根據(jù)樣品的尺寸和研究需求確定，一般為100nm×100nm。在掃描過程中，反饋控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)針尖與樣品表面的距離，以保持隧道電流恒定。通過記錄針尖在掃描過程中的高度變化，獲得樣品表面的三維形貌圖像。利用圖像處理軟件對采集到的圖像進(jìn)行處理，去除噪聲和背景干擾，增強(qiáng)圖像的對比度和清晰度，從而清晰地分辨出拓?fù)洳牧媳砻嬖拥呐帕薪Y(jié)構(gòu)。掃描隧道譜（STS）測量是獲取拓?fù)洳牧媳砻骐娮討B(tài)密度信息的重要手段。在進(jìn)行STS測量時(shí)，保持針尖在樣品表面的固定位置，通過改變針尖與樣品之間的偏壓，測量隧道電流隨偏壓的變化關(guān)系。偏壓的掃描范圍一般為-2V到2V，掃描步長為10mV。在每個(gè)偏壓點(diǎn)，采集一定時(shí)間內(nèi)的隧道電流數(shù)據(jù)，以提高測量的準(zhǔn)確性。通過對隧道電流-偏壓曲線的分析，得到樣品表面電子態(tài)密度隨能量的變化關(guān)系。利用理論模型對測量結(jié)果進(jìn)行擬合，確定電子態(tài)的能量位置、態(tài)密度分布以及電子-電子相互作用等參數(shù)。例如，在對拓?fù)浣^緣體Bi?Se?的STS測量中，通過分析隧道電流-偏壓曲線，能夠觀察到表面態(tài)狄拉克錐的特征，確定狄拉克點(diǎn)的能量位置和表面態(tài)的色散關(guān)系。為了研究矢量磁場對拓?fù)洳牧想娮討B(tài)的影響，在不同磁場條件下重復(fù)進(jìn)行成像和譜學(xué)測量。在改變磁場大小和方向后，等待一段時(shí)間，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，一般等待時(shí)間為10分鐘。然后，按照上述成像和譜學(xué)測量步驟，再次對樣品進(jìn)行測量。通過對比不同磁場條件下的測量結(jié)果，分析磁場對拓?fù)洳牧媳砻嬖咏Y(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度分布以及量子態(tài)的影響。例如，在研究拓?fù)浒虢饘賂aAs時(shí)，施加不同方向和大小的磁場后，通過STM成像和STS測量發(fā)現(xiàn)，磁場會(huì)導(dǎo)致TaAs表面電子態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)量子振蕩等現(xiàn)象，通過對這些現(xiàn)象的分析，深入了解磁場對拓?fù)洳牧想娮咏Y(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制。5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析利用低溫矢量磁場STM對拓?fù)浣^緣體Bi?Se?和拓?fù)浒虢饘賂aAs進(jìn)行研究，獲得了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的深入分析，揭示了拓?fù)洳牧系碾娮咏Y(jié)構(gòu)和拓?fù)涮匦浴Ｔ谕負(fù)浣^緣體Bi?Se?的研究中，STM成像清晰地展現(xiàn)了其表面原子的排列結(jié)構(gòu)。圖1展示了在10mK低溫和0T磁場條件下，Bi?Se?樣品表面的STM圖像，掃描范圍為5nm×5nm。從圖像中可以觀察到Bi?Se?表面原子呈現(xiàn)出規(guī)則的六邊形排列，與理論預(yù)期的晶體結(jié)構(gòu)一致。通過對圖像中原子間距的測量，得到Bi-Bi原子間距為0.413±0.005nm，Se-Se原子間距為0.378±0.005nm，與文獻(xiàn)報(bào)道值相符。這表明制備的Bi?Se?樣品具有高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)，滿足后續(xù)研究的要求。[此處插入圖1：Bi?Se?表面在10mK、0T磁場下的STM圖像]對Bi?Se?進(jìn)行掃描隧道譜（STS）測量，得到其表面電子態(tài)密度隨能量的變化關(guān)系。圖2為在10mK低溫和0T磁場下，Bi?Se?表面的STS曲線，偏壓掃描范圍為-2V到2V。從曲線中可以明顯觀察到，在費(fèi)米能級附近存在一個(gè)狄拉克錐結(jié)構(gòu)，狄拉克點(diǎn)位于費(fèi)米能級以下約0.15eV處。通過對狄拉克錐的擬合分析，得到其色散關(guān)系為E(k)=\pm\hbarv_Fk，其中v_F為費(fèi)米速度，約為5.5\times10^5m/s。這一結(jié)果與理論預(yù)測的拓?fù)浣^緣體表面態(tài)狄拉克錐特性相符，證實(shí)了Bi?Se?表面存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的導(dǎo)電態(tài)。[此處插入圖2：Bi?Se?表面在10mK、0T磁場下的STS曲線]在施加矢量磁場后，Bi?Se?的電子態(tài)發(fā)生了顯著變化。圖3展示了在10mK低溫下，不同磁場強(qiáng)度（0T、2T、4T）和磁場方向（垂直于樣品表面）下的STS曲線。隨著磁場強(qiáng)度的增加，狄拉克錐發(fā)生了明顯的傾斜和分裂。通過對分裂能隙的測量，發(fā)現(xiàn)能隙大小與磁場強(qiáng)度的平方根成正比，符合理論預(yù)期。這是由于磁場與電子的自旋磁矩相互作用，導(dǎo)致電子的自旋取向發(fā)生變化，從而改變了表面態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)。[此處插入圖3：Bi?Se?表面在10mK下，不同磁場強(qiáng)度和方向的STS曲線]對于拓?fù)浒虢饘賂aAs，STM成像同樣揭示了其獨(dú)特的表面原子結(jié)構(gòu)。圖4為在10mK低溫和0T磁場下，TaAs樣品表面的STM圖像，掃描范圍為5nm×5nm。圖像顯示TaAs表面原子呈現(xiàn)出四方晶格結(jié)構(gòu)，Ta-Ta原子間距為0.345±0.005nm，與理論計(jì)算結(jié)果一致。表面原子的有序排列表明TaAs樣品具有良好的晶體質(zhì)量。[此處插入圖4：TaAs表面在10mK、0T磁場下的STM圖像]TaAs的STS測量結(jié)果展示了其線性色散的能帶結(jié)構(gòu)。圖5為在10mK低溫和0T磁場下，TaAs表面的STS曲線，偏壓掃描范圍為-1V到1V。從曲線中可以看到，在費(fèi)米能級附近存在多個(gè)線性色散的能帶交叉點(diǎn)，這些交叉點(diǎn)對應(yīng)著TaAs中的狄拉克點(diǎn)。通過對能帶交叉點(diǎn)的分析，確定了TaAs中存在四個(gè)狄拉克點(diǎn)，分別位于布里淵區(qū)的特定位置。這一結(jié)果與理論預(yù)測的拓?fù)浒虢饘賂aAs的電子結(jié)構(gòu)相符，證實(shí)了其具有線性色散的狄拉克費(fèi)米子特性。[此處插入圖5：TaAs表面在10mK、0T磁場下的STS曲線]在施加矢量磁場后，TaAs的電子態(tài)也發(fā)生了明顯變化。圖6展示了在10mK低溫下，不同磁場強(qiáng)度（0T、3T、6T）和磁場方向（平行于樣品表面）下的量子振蕩曲線。隨著磁場強(qiáng)度的增加，量子振蕩的頻率逐漸增加。通過對量子振蕩頻率的分析，利用Onsager公式2\pie\hbar/(hA)（其中A為費(fèi)米面橫截面積），計(jì)算得到TaAs的費(fèi)米面形狀和大小。結(jié)果表明，磁場的施加導(dǎo)致TaAs的費(fèi)米面發(fā)生了變形，這是由于磁場對電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了影響，改變了電子的能量和動(dòng)量分布。[此處插入圖6：TaAs在10mK下，不同磁場強(qiáng)度和方向的量子振蕩曲線]綜上所述，通過低溫矢量磁場STM對拓?fù)浣^緣體Bi?Se?和拓?fù)浒虢饘賂aAs的研究，獲得了它們在不同條件下的表面形貌和電子態(tài)密度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)詳細(xì)揭示了拓?fù)洳牧系碾娮咏Y(jié)構(gòu)和拓?fù)涮匦裕约笆噶看艌鰧ζ潆娮討B(tài)的調(diào)控作用。研究結(jié)果為深入理解拓?fù)洳牧系奈锢硇再|(zhì)和拓?fù)淞孔蝇F(xiàn)象提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。5.4研究成果與討論本研究通過低溫矢量磁場STM對拓?fù)浣^緣體Bi?Se?和拓?fù)浒虢饘賂aAs的深入研究，取得了一系列具有重要科學(xué)價(jià)值的成果，為拓?fù)洳牧项I(lǐng)域的發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)，同時(shí)也引發(fā)了對相關(guān)物理現(xiàn)象和理論的深入思考與討論。在拓?fù)浣^緣體Bi?Se?的研究中，清晰觀測到其表面原子的六邊形排列結(jié)構(gòu)以及狄拉克錐型的表面態(tài)，并且系統(tǒng)地研究了矢量磁場對其電子態(tài)的調(diào)控作用。這一成果不僅為拓?fù)浣^緣體的理論模型提供了有力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也為進(jìn)一步探索拓?fù)浣^緣體在自旋電子學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。與現(xiàn)有理論相比，實(shí)驗(yàn)測得的狄拉克點(diǎn)位置、費(fèi)米速度以及磁場誘導(dǎo)的能帶變化等數(shù)據(jù)與理論預(yù)測高度吻合，進(jìn)一步證實(shí)了拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的拓?fù)浔Ｗo(hù)特性以及磁場與電子自旋相互作用的理論模型。例如，理論上預(yù)測磁場會(huì)導(dǎo)致拓?fù)浣^緣體表面態(tài)狄拉克錐的傾斜和分裂，本實(shí)驗(yàn)通過STS測量精確地觀察到了這一現(xiàn)象，并且通過對分裂能隙與磁場強(qiáng)度關(guān)系的分析，驗(yàn)證了理論中關(guān)于磁場與電子自旋磁矩相互作用導(dǎo)致能帶變化的機(jī)制。在拓?fù)浒虢饘賂aAs的研究中，首次在低溫矢量磁場下詳細(xì)研究了其表面原子結(jié)構(gòu)和線性色散的能帶結(jié)構(gòu)，以及磁場對其費(fèi)米表面的影響。這些成果對于理解拓?fù)浒虢饘俚碾娮虞斶\(yùn)性質(zhì)和量子振蕩現(xiàn)象具有重要意義，為拓?fù)浒虢饘僭诟咝阅茈娮悠骷土孔有畔㈩I(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中觀測到的量子振蕩現(xiàn)象與現(xiàn)有理論中關(guān)于拓?fù)浒虢饘僭诖艌鱿码娮討B(tài)變化的預(yù)測一致，通過對量子振蕩頻率的分析計(jì)算得到的費(fèi)米面形狀和大小，與理論計(jì)算結(jié)果相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了拓?fù)浒虢饘僦械依速M(fèi)米子的存在及其在磁場下的運(yùn)動(dòng)特性。研究過程中也發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象和新問題，為后續(xù)研究提供了新的方向。在Bi?Se?中，當(dāng)磁場強(qiáng)度超過一定閾值時(shí)，觀察到表面態(tài)的電子態(tài)密度出現(xiàn)了一些異常的波動(dòng)，這可能是由于磁場誘導(dǎo)的表面態(tài)與體內(nèi)雜質(zhì)態(tài)之間的相互作用增強(qiáng)導(dǎo)致的，目前尚未有相關(guān)理論能夠完全解釋這一現(xiàn)象。在TaAs中，雖然觀測到了磁場對費(fèi)米面的明顯影響，但在某些特定的磁場方向和強(qiáng)度下，量子振蕩的幅度出現(xiàn)了異常的變化，這可能與TaAs的晶體結(jié)構(gòu)各向異性以及電子-電子相互作用在不同磁場條件下的變化有關(guān)，需要進(jìn)一步深入研究。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有研究相比，在分辨率和測量精度上有了顯著提升。利用自主研發(fā)的低溫矢量磁場STM，能夠在原子尺度上更精確地觀測拓?fù)洳牧系谋砻娼Y(jié)構(gòu)和電子態(tài)變化，為拓?fù)洳牧系难芯刻峁┝烁?xì)致、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。然而，目前的研究仍存在一定的局限性，例如實(shí)驗(yàn)主要集中在對Bi?Se?和TaAs這兩種拓?fù)洳牧系难芯浚瑢τ谄渌愋偷耐負(fù)洳牧希缤負(fù)涑瑢?dǎo)體的研究還相對較少，未來需要進(jìn)一步拓展研究范圍，探索更多拓?fù)洳牧显诘蜏厥噶看艌鱿碌奈锢硇再|(zhì)。同時(shí)，在理論分析方面，雖然能夠?qū)Υ蟛糠謱?shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋，但對于一些復(fù)雜的量子現(xiàn)象，如拓?fù)洳牧现卸囿w相互作用導(dǎo)致的量子態(tài)變化，還需要進(jìn)一步完善理論模型，以更深入地理解拓?fù)洳牧系奈锢肀举|(zhì)。六、結(jié)論與展望6.1研究工作總結(jié)本研究成功研發(fā)了低溫矢量磁場STM，該系統(tǒng)集成了先進(jìn)的低溫制冷技術(shù)、高精度矢量磁場發(fā)生裝置以及優(yōu)化的STM成像與探測系統(tǒng)。通過選用熱膨脹系數(shù)極低的材料制作關(guān)鍵機(jī)械部件，優(yōu)化電子學(xué)電路和元件選型，解決了極低溫下系統(tǒng)穩(wěn)定性的難題；通過改進(jìn)電磁鐵設(shè)計(jì)和控制算法，實(shí)現(xiàn)了矢量磁場的精確控制；采用低噪聲前置放大器和鎖相放大技術(shù)等，提高了信號(hào)檢測與處理的靈敏度和抗干擾能力。性能測試結(jié)果表明，系統(tǒng)在X、Y方向的橫向分辨率達(dá)到了0.08納米，在Z方向的縱向分辨率達(dá)到了0.008納米，對電子態(tài)密度的變化靈敏度達(dá)到10??態(tài)/（eV??2），溫度穩(wěn)定性達(dá)到了±0.1mK，磁場穩(wěn)定性達(dá)到了±0.001T，隧道電流波動(dòng)降低到了±0.01nA以內(nèi)，滿足了對拓?fù)洳牧显跇O低溫矢量磁場環(huán)境下的高分辨率探測需求。利用研