基于衰减全内反射的外尔半金属耦合性质研究

外尔半金属(WSM)具有独特的体能带结构以及非平庸的表面态,对其光学性能的揭示和研究对认识这类材料和拓展相关应用有具有重要意义。为了探究光与WSM的相互作用,提出了一种衰减全内反射结构用于研究WSM中表面等离激元(SPP)的色散和耦合性质。从介电函数张量出发,通过各项异性传输矩阵来求解麦克斯韦方程组,得到菲涅尔反射系数,研究WSM的色散曲线。在此基础上,引入亚波长厚度的极化晶体薄膜,通过介电函数近零(ENZ)模式和SPP的共同激发,得到两者的耦合杂化色散曲线。研究结果表明,色散关系的高频和低频分支在反交叉点都显示出强耦合。基于WSM的耦合杂化模式具有高度传播特性和亚波长光限制的特点,可以作为未来红外光电子器件的制备和应用提供理论依据。

外尔半金属Co_(3)Sn_(2)S_(2)薄膜的制备和电磁性质研究

外尔半金属Co_(3)Sn_(2)S_(2)是一种新型的拓扑量子材料,具有独特的拓扑能带结构,被认为是一种非常有潜力的自旋电子材料,而制备电子器件的重要一步是该材料的薄膜化.采用磁控溅射方法分别在Si O_(2)(300 nm)/Si(100)和Al_(2)O_(3)(0001)衬底上生长Co_(3)Sn_(2)S_(2)薄膜.X射线衍射(XRD,X-ray Diffraction)显示Co_(3)Sn_(2)S_(2)薄膜的结构随厚度而变化.在不同衬底上,Co_(3)Sn_(2)S_(2)薄膜的生长情况也不同,较薄的Co_(3)Sn_(2)S_(2)(<200 nm)适合生长在Al_(2)O_(3)(0001)衬底上,而较厚的Co_(3)Sn_(2)S_(2)(~5μm)适合生长在Si O_(2)(300 nm)/Si(100)衬底上.Co_(3)Sn_(2)S_(2)纵向电阻率随着厚度的增加而增加,对导电起主要作用的表面层厚度保持在一定尺度内.

外尔半金属调制的范德瓦耳斯声子极化激元色散性质

极性电介质支持的表面声子极化激元(surface phonon polaritons,SPhP)在红外波段增强光与物质相互作用过程中引起了广泛的关注,然而存在光场操控有限、调制波段限定在剩余射线带区域的问题.提出了一种由双轴范德瓦耳斯材料(a-MoO_(3))和外尔半金属组成的异质结构,用来研究各向异性SPhP的主动可调谐性.在横磁波入射条件下,通过4×4传递矩阵法准确地求解异质系统中的反射系数以及场分布,描述各向异性SPhP的色散性质.研究结果表明:模式杂化和色散操控可以通过方位角度及a-MoO_(3)的厚度大小实现.更重要的是外尔半金属中费米能级的大小能够启用动态色散曲线调节,而费米能级依赖于外界温度的变化.因此研究有助于进一步优化和设计基于范德瓦耳斯材料的可控光电器件,在红外热辐射和生物传感等方面具有较好的应用前景.

外加电场和磁场对外尔半金属能带结构的调控

基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型,研究了外加电场、外加磁场及同时外加电场和磁场对外尔半金属电子能带结构的调控作用.结果表明,仅在正向(负向)电场作用下,随着电场强度的不断增大,体系的外尔点逐渐向布里渊区边界(布里渊区中心)移动,当电场强度增大到一定程度时,可以实现半金属向半导体或绝缘体的转变;仅在外加磁场作用下,外尔半金属可以形成分立的朗道能级,n=0子带不随着磁长度的增加而变化,n=1和n=2子带随着磁长度的增加不断向费米能级靠近,且相同指标导带和价带间的能隙不断减小;在保持磁长度不变的条件下,体系的外尔点随着外加正向(负向)电场强度的增大逐渐向布里渊区边界(布里渊区中心)移动,在适当的外加电场作用下,n=0子带由部分占据的价带变为第一导带或完全占据的第一价带,实现半金属向半导体或绝缘体的转变.

外尔半金属薄膜的介电张量及色散性质研究

外尔半金属(WSM)是一种以外尔费米子为准粒子的新型拓扑材料,具有优异的物理和光学特性。在光与WSM相互作用的过程中,材料的介电函数起到十分关键的作用。从修正的电位移矢量和电场强度关系出发,通过介电函数张量比较了不同费米能级情况下WSM介电常数的变化。在此基础上,引入4×4的磁光矩阵来求解麦克斯韦方程组,得到菲涅尔反射系数,研究波矢的色散方程。研究结果表明,WSM的色散在短波矢处具有线性色散,而在长波矢极限近似具有恒定频率。当WSM厚度的持续增大时,能够支持更多的模式分支。

磁性外尔半金属的发现

外尔半金属是一种新奇的拓扑量子物态,具有手性相反的外尔点和表面态费米弧结构.这种独特的电子结构赋予了外尔半金属奇特的物理性质,如手性反常和量子振荡等.外尔半金属按照对称性不同的破缺方式可以分为中心反演对称性破缺的非磁性外尔半金属和时间反演对称性破缺的磁性外尔半金属.其中磁性外尔半金属的电子结构对磁结构的具体形式非常敏感,因此可以通过外加磁场或电场来改变磁矩的方向,以达到操控其拓扑相变和物理性质的变化.这一特性在自旋电子学领域具有潜在的应用价值.具有笼目结构的铁磁体Co3Sn2S2是首个被实验证实的磁性外尔半金属.本文主要综述了磁性外尔半金属Co3Sn2S2的发现,包括输运性质、理论计算和电子结构的测量,并对磁性外尔半金属未来的研究进行了展望.

外尔半金属及其输运特性

外尔半金属是继石墨烯以及拓扑绝缘体之后的又一个研究热点。相比于后两者,外尔半金属独特的三维无能隙线性色散能带结构使得它有很多奇特的性质,如：手性反常、手性磁效应、反弱局域化、手性朗道能级和负磁阻效应等。实际样品中无序总是不可避免的,所以考虑无序对体系的影响是很有必要的。我们回顾了无序下第一类以及第二类外尔半金属的相变特性,并获得了完整的相图,这些无序诱导的相变丰富了拓扑安德森绝缘体和安德森金属绝缘体相变的物理内涵。我们同样回顾了长程短程无序影响下的第一类外尔半金属体系的输运,发现了一种不能采用玻尔兹曼输运方程来描述的输运过程。我们介绍Imbert-Fedorov位移这一光学中的效应在外尔半金属中的实现,这为更好地应用外尔半金属提供了更多的可能性,随后采用波包散射,我们解释了外尔半金属中的超高载流子迁移率问题的原因,最后我们给出一个简要的总结。

外尔半金属TaAs单晶的研究进展

外尔半金属是当两个自旋非简并能带在三维动量空间通过费米能级附近时,其低能准粒子激发具有外尔费米子的所有特征的一类材料体系。外尔费米子是狄拉克方程的无质量解,可以看作是在三维空间一对重叠在一起且具有相反手性的粒子。TaAs单晶作为一种非磁性的外尔半金属,在其中能够观测到外尔费米子,并产生许多奇异的物理现象,如费米弧、负磁阻效应、量子反常霍尔效应等,使其在发展新型电子器件和拓扑量子计算等领域有着重要应用潜力。介绍了外尔半金属的相关基础理论和重要实验,重点探讨了TaAs单晶生长相关的技术问题,分析了化学气相传输法的优缺点。

第一类与第二类外尔半金属界面上的菲涅尔反射系数

作为一种新型拓扑材料,外尔半金属及其光学性质是当前凝聚态物理以及光学领域的研究热点。根据人们的最新研究成果,介绍了第一类与第二类外尔半金属界面上菲涅尔反射系数的计算方法,模拟并揭示了不同化学势下菲涅尔反射系数随入射角θi和狄拉克锥倾斜度αt的演变规律。研究结果表明,随着化学势和狄拉克锥倾斜度αt的变化,第一类与第二类外尔半金属的反射系数以及布儒斯特角呈现出不同的演变规律。理论上可以通过化学掺杂并测量外尔半金属界面上的菲涅尔反射系数来判断外尔半金属的种类。

外尔半金属WTe_(2)/Ti异质结的热稳定性拉曼散射研究

外尔半金属Td-WTe_(2)是一种新型的拓扑量子材料,具有很强的自旋轨道耦合作用和独特的拓扑能带结构,被认为是一种非常有潜力的自旋电子材料.通过构造WTe_(2)/Ti异质结构,能够解决原本在WTe_(2)上无法直接制备出具有垂直磁各向异性铁磁层的难题.与现有半导体工艺相兼容,器件集成需要经受高温处理过程,因此WTe_(2)/Ti的热稳定性对于实际器件制备和应用至关重要.然而,WTe_(2)/Ti界面的热稳定性目前仍然不清楚.本文利用显微拉曼散射技术系统研究了不同温度退火后的WTe_(2)/Ti异质结的热稳定性,发现WTe_(2)和Ti的界面热稳定性与WTe_(2)纳米片的厚度相关,WTe_(2)纳米片厚度适当增加,WTe_(2)/Ti异质结更加稳定.此外,高温退火会导致更加强烈的界面反应,在473 K退火30 min后,WTe_(2)(12nm)与Ti发生明显界面反应,生成Ti-Te化合物,该现象与高分辨透射电子显微镜测量和元素分析结果高度一致.研究结果为进一步探究WTe_(2)/Ti界面对于自旋轨道转矩效应的影响提供有用信息,激发基于WTe_(2)等拓扑材料的低功耗自旋器件研究.

外尔半金属中的手征涡旋效应

实验表明,外尔半金属中不仅存在手征反常,也存在引力反常。引力反常会导致手征涡旋效应。因此,在外尔半金属中研究手征涡旋效应是必要的。作为石墨烯的三维类似物,外尔半金属也有可能出现强耦合。基于此,通过规范/引力对偶的方法研究强耦合下外尔半金属中的手征涡旋效应。在只考虑引力反常引起的手征涡旋效应的情形下,得到如下结论:1)手征涡旋效应可以由引力反常引起,在具有手征费米子的外尔半金属中存在,且与耦合强度成正比;2)手征涡旋效应与温度平方成正比。

外尔半金属TaAs中太赫兹电场诱导的二次谐波产生

使用强场太赫兹泵浦二次谐波产生探测、研究外尔半金属TaAs中的三阶非线性响应过程。当泵浦太赫兹电场沿着TaAs(112)晶面的不同晶向时,强场太赫兹诱导的光学二次谐波信号展现出了不同的响应,这可以用泵浦太赫兹电场引入的三阶非线性极化来定量地解释,其中较大的zzzz分量可能起着重要的作用。

磁性外尔半金属材料研究现状与展望

外尔半金属是拓扑半金属家族中的一员。理想的外尔半金属费米面附近有且仅有非简并价带和导带形成的孤立能带交叉点,其低能激发准粒子可以用描述手性外尔费米子的外尔方程来刻画。在三维固体中形成外尔半金属态需要破缺时间反演、中心反演以及它们的组合对称操作。外尔点(即能带交叉点)具有拓扑稳定性和确定的手性或磁荷,且左右手性外尔点需成对出现。非磁性外尔半金属TaAs家族材料的发现,使得研究具有手征性的电子态,及其导致的新物性、新现象成为可能。与非磁性外尔半金属相比,磁性外尔半金属可以仅仅具有一对外尔点,是最简单的外尔半金属,有利于物理机理的分析。磁性外尔半金属可用于实现具有本征磁性的量子反常霍尔效应,提供了通过外磁场来调控外尔点及其相关效应的新手段。文章介绍了磁性外尔半金属的理论模型、拓扑数计算等基本原理,简要回顾了一些典型材料的理论计算和实验研究进展,并介绍了磁性拓扑量子化学理论和磁性拓扑材料的高通量计算,最后讨论了磁性外尔半金属的发展前景和未来的研究方向。

复旦大学制备出外尔半金属材料-砷化铌纳米带 电导率是石墨烯的1000倍

2019年3月19日,材料领域国际顶级期刊《自然·材料》发表复旦大学修发贤团队最新研究论文《外尔半金属砷化铌纳米带中的超高电导率》,制备出二维体系中具有目前已知最高导电率的外尔半金属材料--砷化铌纳米带。导电材料是电子工业的基础,现在最主要的材料是铜,已大规模用于晶体管的互连导线。

反铁磁半金属EuCd_(2)Pn_(2)(Pn=As,Sb)中磁交换诱导的外尔态

由于丰富的拓扑量子效应及巨大的潜在应用价值,拓扑材料逐渐成为凝聚态物理前沿的研究材料体系。其中,作为与石墨烯具有相似电子结构的材料,三维拓扑半金属吸引了越来越多的研究兴趣。目前已知的拓扑半金属大多为非磁性的,而磁性拓扑半金属数量有限,与非磁性拓扑半金属相比较,研究开展的还比较少。磁性与拓扑之间的相互作用能够导致非常规的物理性质,如反常霍尔效应甚至量子反常霍尔效应等。此外,在一些具有特殊磁结构的拓扑半金属中,施加外磁场能够调制其自旋结构,从而影响其拓扑能带结构。在该综述中,笔者将详细介绍利用外磁场在EuCd_(2)Pn_(2)(Pn=As,Sb)反铁磁半金属材料中通过调制自旋结构从而改变晶体结构对称性来诱导拓扑相变。此外,笔者也将简单介绍包括GdPtBi和MnBi_(2)Te_(4)在内的几个相关材料。该综述中讨论的外磁场调控的磁交换诱导的拓扑相变不仅有望应用于拓扑器件,也有助于为理解磁性与拓扑态之间的紧密关联提供新的线索,对于设计新的磁性拓扑材料有启发意义。综述最后,笔者对发展磁性拓扑半金属做了一些简单展望。

我国科学家首次观测到Weyl半金属手征磁效应

Weyl(外尔)半金属的物性研究一直是凝聚态物理学的前沿热点之一,其中Weyl半金属材料的手征磁效应只存在于理论预言中,由于材料制备的困难和表征手段的缺乏,至今尚未在实验室直接观测到手征磁效应。

磁序与拓扑的耦合:从基础物理到拓扑磁电子学

磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科,二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础.磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物,为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度.磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物态,通过拓扑增强的贝利曲率产生了一系列新奇的磁/电/热/光效应;而外尔电子与磁序的相互作用也使得拓扑电子物理有望成为磁电子学应用的新原理和驱动力.当前,新物态与新效应的发现是磁性拓扑材料第一阶段的主要任务和特征,而动量空间拓扑电子与实空间磁序的相互作用已经开始进入人们的视野.这两个阶段的深入发展,将为拓扑磁电子学积累必要的物理基础和应用尝试.本文着眼于磁性拓扑材料发展的两个阶段,讲述磁性拓扑材料的提出和实现、均一磁序下的拓扑电子态及新奇物性、局域磁态与拓扑电子的相互作用3个方面,阐述当前领域内的热点内容和发展趋势,并对拓扑磁电子学的未来发展进行了思考和展望,以助力未来拓扑自旋量子器件的快速发展.

拓扑半金属表面态的输运特性

拓扑电子体系是近年来凝聚态物理学的研究前沿,它以非平庸的体态拓扑以及奇异的表面态为主要特征.输运测量是研究拓扑电子体系最常用和最有效的手段之一,输运研究与新奇物理效应的探索以及电子器件相关应用都有密切的联系.基于拓扑绝缘体的输运研究已经广泛地开展,其中的输运信号仅由拓扑表面态贡献;而拓扑半金属中体态和表面态共存,这在给输运研究带来复杂性的同时,也预示着更为丰富的物理现象有望被发现.大多数针对拓扑半金属输运性质的研究集中于其体态,而其表面态的贡献通常被认为小到可以忽略.需要指出,通过巧妙构筑输运器件结构,表面态可以贡献很强的输运信号并导致新奇而丰富的输运性质.本文介绍了若干典型拓扑半金属体系中表面态导致的新奇输运性质,包括拓扑节线半金属中鼓面表面态导致的共振自旋翻转反射及其输运信号,外尔半金属中费米弧表面态的奇异安德烈夫反射、法布里-珀罗干涉和门电压调控的栗弗席兹相变,以及这些效应对外场的奇特响应.本文介绍的研究成果为拓扑半金属表面态的探测与调控提供了新的思路.

非互易热辐射研究综述

非互易热辐射是一种突破传统基尔霍夫定律对称互易性的辐射传热新方式,它打破了物体光谱定向发射率与光谱定向吸收率必须相等的限制,实现了辐射器光谱、角度发射率和吸收率在时间和空间上的独立控制。本文综述了非互易热辐射在理论计算、实验验证和应用方面的研究进展,从基尔霍夫定律与洛伦兹互易性之间的内在联系出发,阐述了非互易热辐射产生的必要条件,以磁光材料In As和外尔半金属两种典型材料为例探讨了如何构建非对称结构和利用外部场调控,产生多波段、多角度的非互易热辐射,并应用于太阳能电池、热光伏系统等领域,成功突破了热辐射的黑体极限并在理论上达到朗斯堡极限,提升了能源的转换效率。未来非互易热辐射有望为能源有效利用和节能减排提供有力的支持,推动前沿材料研究和技术创新,为可持续发展注入新的动力和活力。

基于新型磁电阻材料TaP的强磁场传感器设计

针对强磁场的检测需求,设计了基于新型磁电阻材料外尔半金属TaP的强磁场传感器。首先,分析介绍了外尔半金属材料进行强磁场检测的原理,材料的各向异性以及SdH振荡现象。之后,以外尔半金属TaP为磁敏感材料进行相关特性测试和传感器设计,通过锁相放大器OE1022D采集传感器输出信号。最后,通过实验测试,对传感器的灵敏度、噪声特性和测量范围进行标定。设计的传感器测量范围为-3~3 T,灵敏度为8.97μV/Gs,噪声特性为2mGs/√Hz@1Hz,实际测量结果误差小,分辨率较高,噪声小,对于强磁场的测量有一定的实用价值。