基于光子自旋霍尔效应的甲烷检测理论研究

为了实现对甲烷体积分数的高精度检测,采用多层结构激发了具有高品质因素的光子自旋霍尔效应现象。利用非对称的排列方式,将甲烷敏感膜引入结构中,通过敏感膜的折射率变化,实现对甲烷体积分数的检测;研究了气体孔隙率、周期数、金属厚度和敏感膜厚度对光子自旋霍尔效应的影响,并采用传输矩阵法进行了数值分析。结果表明,该传感器可对体积分数为0~3%、折射率变化为1.4364~1.4478的甲烷气体进行检测,灵敏度为29.6°,最高质量因素和最低检测下限分别为395和0.00012。该传感器结构简单、检测能力强,为光学传感器的研究提供了新思路。

莫尔超晶格中的分数化拓扑量子态

带有分数化准粒子激发的分数量子霍尔态是一种奇特的强关联拓扑量子物态,自1982年在强磁场二维电子气中被首次观测到以来一直是凝聚态物理重要的前沿方向.去年来,有多个团队在基于过渡金属硫族化合物和石墨烯的莫尔超晶格中观测到了零磁场分数量子霍尔效应,在莫尔超晶格中还发现了分数量子自旋霍尔效应的迹象.这表明莫尔超晶格体系能够有效调控能带及相互作用,是在零磁场条件下实现分数化拓扑量子态的理想平台.本文简要论述了与此相关的研究进展和存在的挑战,并对该领域未来可能的发展方向做出展望.

自旋陈数理论和时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应

一般认为,量子自旋霍尔效应只有受到时间反演对称性的保护才是稳定的。但是,因为在实际材料中破坏时间反演对称性的微扰往往无法避免,这种受时间反演对称性保护的量子自旋霍尔效应在真实环境中并不稳定。本综述将介绍近期在寻找无需时间反演对称性保护的量子自旋霍尔效应方向上的系列研究进展。我们将证明量子自旋霍尔体系的非平庸拓扑性质在时间反演对称性被破坏后仍然可以完好存在,并通过一个规范讨论,将边缘态一般性质和体能带的非平庸拓扑性质联系起来。进一步,将探讨通过人工消除边缘态时间反演对称性而实现稳定的量子自旋霍尔效应的方案。此外,我们还将介绍自旋陈数理论,自旋陈数是在没有时间反演对称性存在时,表征量子自旋霍尔体系所处不同拓扑相的有效工具。

1998年诺贝尔物理学奖——分数量子霍尔效应的发现

1998年10月13日瑞典皇家科学院决定把1998年诺贝尔物理学奖颁发给美国加州斯坦福大学的劳克林(R.B.Laughlin,1950-)、美国纽约哥伦比亚大学与新泽西州贝尔实验室的施特默(H.L.Stormer,1949-)和美国新泽西州普林斯顿大学电气工程系的崔琦(D.C.Tsui,1939-),以表彰他们发现和解释了分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应是一种很复杂的现象,为了说明它的基本内容。

拓扑平带上的分数量子反常霍尔效应(一)

拓扑平带模型属于著名Haldane模型的扩展版本,至少有一个能带具有非平庸的拓扑性质,即有非零的陈数(Chern number),而且该能带的带宽很窄,同时与其他能带间有较大能隙.最近通过对拓扑平带上强关联相互作用的费米子和玻色子晶格体系的系统数值进行研究,发现了一类新奇的阿贝尔型和非阿贝尔型分数量子霍尔效应.新发现的分数量子霍尔效应不同于传统朗道能级上的连续型分数量子霍尔效应,无须外加强磁场,有较大特征能隙,可在较高温度下存在,无需单粒子朗道能级,不能用常规Laughlin波函数描述.这些无外加磁场、无朗道能级的分数化现象,定义了一类新的分数拓扑相,也称为分数陈绝缘体,其中的分数量子霍尔效应也称为分数量子反常霍尔效应.该新领域在近期引起了国际凝聚态物理学界的研究热情与广泛关注.对笔者与合作者在该领域的系列研究工作进行综述介绍,以期引起国内外同行的进一步研究兴趣.

α-T_(3)晶格中量子反常霍尔效应研究

量子反常霍尔绝缘体具有与普通绝缘体一样的体带隙,但在其边缘或表面有拓扑保护的导电态。量子反常霍尔效应可以通过引入自旋轨道耦合相互作用和交换场来实现。文章重点研究了α-T_(3)晶格在两种Rashba自旋轨道耦合相互作用以及交换场的作用下,通过分析体系的相图、能带结构、边缘态和拓扑不变量,理论预测该体系为实现丰富的拓扑相提供了一个平台,包括半金属相和量子反常霍尔相。同时,该体系也是一个实现谷极化量子反常霍尔相的平台。在谷极化量子反常霍尔相中,边缘输运通道集中在单个能谷中,并且在边界上单向传播,可实现无耗散的100%的谷极化。我们的研究不仅发现了丰富的拓扑相,而且为拓扑电子学以及谷电子学应用提供了一个可行的平台。

光致规范场下的冷原子及自旋量子霍尔效应

讨论了冷原子与激光场的互作用系统，对于碱金属原子例如^6Li与激光场互作用系统，通过恰当的光场参数配置，构造出具二重兼并的能量本征态，可以分别定义两个简并态为自旋向上及自旋向下态，类似于自旋二分量体系。进一步研究发现，不同自旋态将感受到自旋相关的光致规范场。当原子在设定的空间分布激光场中运动时，其所感受到的有效自旋相关规范场将导致自旋霍尔效应，并产生可观测的自旋霍尔流。

自旋轨道耦合系统中的整数量子霍尔效应

研究了Rashba自旋轨道耦合作用下的二维无限长条形样品中的电子输运,计算了样品的霍尔电导和纵向电阻,得到了完整的整数量子霍尔效应.在一定强磁场范围内,由于样品两边缘的限制,能级在大波矢范围快速上升,在小波矢范围形成平坦的朗道能级.强磁场下自旋轨道耦合完全解除自旋简并.位于朗道能级上升和下降区域的电子形成传输电流.计算结果表明,霍尔电导呈现台阶型,平台出现在e2/h的整数倍位置,形成霍尔平台.温度对霍尔平台的电导有一定影响.在某临界温度以下,霍尔平台电导可以达到10–9以上的精度.最后分析了声子发射和吸收产生整数量子霍尔效应的纵向电阻的机制,近似计算了弛豫时间,得到了纵向电阻.结果表明,纵向电阻在霍尔平台区域为零,而在霍尔平台之间出现峰值.

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.

拓扑平带上的分数量子反常霍尔效应(二)

拓扑平带模型属于著名Haldane模型的扩展版本,至少有一个能带具有非平庸的拓扑性质,即有非零的陈数(Chern number),另外,该能带的带宽很窄,且与其他能带间有较大能隙.通过对拓扑平带上强关联相互作用的费米子和玻色子晶格体系的系统数值研究,发现了一类新奇的阿贝尔型和非阿贝尔型分数量子霍尔效应.新发现的分数量子霍尔效应不同于传统朗道能级上的连续型分数量子霍尔效应,无须外加强磁场,有较大特征能隙,可在较高温度下存在,无需单粒子朗道能级,不能用常规Laughlin波函数来描述.这些无外加磁场、无朗道能级的分数化现象,定义了一类新的分数拓扑相,也称为分数陈绝缘体,其中的分数量子霍尔效应也称为分数量子反常霍尔效应.该新领域在近期引起了国际凝聚态物理学界的研究热情与广泛关注.对笔者与合作者在该领域的系列研究工作进行了综述介绍,以期引起国内外同行的进一步研究兴趣.

缀饰格子中时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应

研究了缀饰格子中的量子自旋霍尔效应,模型中同时考虑了Rashba自旋轨道耦合和交换场的作用.缀饰格子具有简立方对称性,以零能平带和单狄拉克锥结构为主要特点.在缀饰格子中,不论是实现量子自旋霍尔效应还是量子反常霍尔效应,都需要一个不为零的内禀自旋轨道耦合作用来打开一个完全的体能隙,这与石墨烯等六角格子模型有着很大的不同.在交换场破坏了时间反演对称性的情况下,以自旋陈数为标志的量子自旋霍尔效应仍然能够存在,边缘态和极化率的相关结果也证明了这一结论.结果表明自旋陈数比z2拓扑数在表征量子自旋霍尔效应方面有着更广泛的适用范围,相应的结论为利用磁场控制量子自旋霍尔效应提出了一个理论模型和依据.

石墨烯中自旋过滤态和量子自旋霍尔效应

采用拓扑不变量陈数和自旋陈数刻画交错磁场调制下石墨烯中的拓扑相变,并利用数值方法计算边缘态能谱.研究结果发现,通过调节交错磁场的强度和石墨烯的费米能量,系统中出现许多拓扑相,无能隙的边缘态可以在时间反演对称破缺的量子自旋霍尔体系中出现.进一步引入交换场,系统发生了从时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态到自旋过滤的量子霍尔态的拓扑相变.这些研究结果在自旋电子器件方面有着巨大的潜在应用价值.

退相干对量子自旋霍尔效应的影响研究取得新进展

物理所凝聚态理论与材料计算实验室研究员谢心澄、孙庆丰和博士生江华、成淑光在前期的工作基础上，进一步研究了退相干对量子自旋霍尔效应的影响。他们把退相干分成两类来考虑：一类是普通退相干，即载流子仅仅丢失位相记忆，但保留自旋记忆：另一类是自旋退相干，即载流子既丢失位相记忆也丢失自旋记忆：

Square-octagon晶格中的量子自旋霍尔效应

从晶格的紧束缚近似哈密顿量出发,计算square-octagon晶格纳米带的能带结构,分析其边界态特点,并通过Fukui-Hatsugai方法进一步验证系统的拓扑性。计算表明,在合适的参数下,Rahsba自旋轨道耦合作用能产生一对无能隙螺旋边界态,且该边界态受到时间反演对称性保护。同时,在半个布里渊区内的整数场之和为奇数,表明系统处于量子自旋霍尔态。

我国科学家预言：硅烯中存在量子自旋霍尔效应

最近，中科院物理研究所姚裕贵研究员领导的一个研究小组采用第一性原理，系统地研究了硅烯的晶体结构、稳定性、能带拓扑和自旋轨道耦合打开的能隙，并预言，在硅烯中可以实现量子自旋霍尔效应。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部和科学院的相关基金的资助。

量子霍尔效应

从经典的霍尔效应开始 ,比较系统地。

整数量子霍尔效应的问题与解答

本文的目的是让学生运用学过的大学物理中的量子力学知识来解释整数量子霍尔效应 .在探究问题的过程中需要掌握薛定谔方程及其对线性谐振子的解 ,用对易算符建立相应的本征值 ,熟悉周期性边界条件 。

石墨烯中量子反常霍尔效应研究进展

量子反常霍尔效应是一种存在于二维电子气中,具有无带隙的手性边缘态但体态绝缘的物理现象.不同于强磁场下量子化朗道能级引起的量子霍尔效应,量子反常霍尔效应可通过引入自旋轨道耦合相互作用以及交换场来实现.作者回顾了量子反常霍尔效应的研究进展,评述了石墨烯中的量子反常霍尔效应.通过理论模型预言在石墨烯体系中引入交换场破坏时间反演对称性,通过考虑Rashba自旋-轨道耦合,可在狄拉克点打开一个拓扑非平庸的量子反常霍尔效应体能隙,进一步分析解释其物理根源.讨论了几种实验原型,尝试通过外部操控在石墨烯中实现量子反常霍尔效应.