二维光子晶体中反常Doppler效应的相位演变

光在具有负等效折射率的二维光子晶体中传输时会产生反常Doppler现象,为了分析光在该反常效应中传输时的相位变化,首先用时域有限差分(FDTD)法仿真了光经过静止光子晶体时的负折射现象,然后对光子晶体中沿光传输方向的Bloch波做快速傅里叶(FFT)处理。对滤波后的频谱,用iFFT反演出各平面波分量,并通过分析各平面波分量的相位演变,分离出与负折射产生有关的后退波分量。然后,将实验中的连续运动过程分解为各静止瞬间,分析了各相邻时刻探测面上信号光和参考光的相位变化,此处两束光的相位变化差随时间的变化量就是差频。静态FDTD方法仿真计算得到的差频与理论值的误差约为20%,能较好解释反常Doppler效应发生过程中光的相位变化。本文的研究揭示了反常Doppler效应发生时光子晶体中起作用的分量的相位变化,也为研究光在运动介质中的传输特性提供了新的思路。

几何结构对Fe薄膜反常能斯特效应的影响

反常能斯特效应(Anomalous Nernst effect,ANE)是一种利用磁性材料进行热电转换的效应。利用磁控溅射方法在Si基底上沉积生长Fe薄膜,探究了薄膜的厚度及几何尺寸对反常能斯特效应的影响。结果表明:Fe薄膜的厚度越小,ANE越明显,当薄膜厚度增加到50 nm以上时,ANE趋于不变,这与Fe薄膜电阻率随厚度的变化规律一致;在温差一定时,反常能斯特电压和Fe薄膜的宽长比成正比,即薄膜越宽电压信号越强,但在单位宽度下薄膜产生的反常能斯特电压维持不变,说明薄膜的几何尺寸对ANE有较大的影响。研究结果对反常能斯特效应相关器件设计具有指导意义。

分子束外延Mn_(4)N单晶薄膜的反常霍尔效应研究

Mn_(4)N是立方相的反钙钛矿型晶体,具有显著的亚铁磁性和反常霍尔效应.该文利用等离子辅助分子束外延在MgO(100)衬底上生长厚度为40 nm的Mn_(4)N(100)单晶薄膜,通过X射线衍射θ扫描和φ扫描,证实外延层的结构符合Mn_(4)N单晶的空间结构特征;化学态测试结果表明Mn_(4)N(100)薄膜内部存在Mn^(0)、Mn^(2+)和Mn^(4+)等几种价态,其实际化学式为Mn_(3.6)N,薄膜中存在富余的N元素;电学测试数据表明Mn_(4)N(100)薄膜具有以电子为载流子的反常霍尔效应(在正磁场中得到负的霍尔电阻率),正常霍尔效应的贡献约占千分之六,其反常霍尔电阻率随着测试温度升高5 K~350 K单调增大,说明温度升高导致电子散射现象加剧.通过对测试数据分析可以推断,在5 K~50 K和50 K~75 K温度范围,反常霍尔效应的来源可分别归结为电子斜散射机制和电子边跳机制.在75 K~350 K这一温度范围内,反常霍尔效应主要来源于与能带结构相关的内禀机制.

相变调控、磁热效应和反常热膨胀

相变作为广泛存在于自然界中的一种现象很早就受到了广泛的关注,并且已经被应用于相变制冷、相变存储、相变储能和负热膨胀等领域中.基于磁热、电热和机械热效应不断发展起来的固态制冷技术具有环保、高效、低噪声和易小型化等优点,被视为替代汽压缩制冷的新型制冷技术.其中,磁热效应是研究历史最悠久的一种.然而,单磁场驱动磁热效应的诸多不足限制了其固态制冷应用,如热效应幅度不够高、滞后损耗大、制冷温跨窄等,因此多场调控和多卡效应应运而生.本文主要介绍笔者团队近期开展的多场调控磁热效应、以及磁热材料的反常热膨胀行为的研究.

基于反常霍尔效应的片上可集成温度传感器

基于铁磁材料的异质结构已应用在存储、逻辑、磁传感、信息安全等多种重要领域中,极大丰富了自旋电子学的内容,进一步推动了全自旋架构的发展。鉴于温度是影响芯片性能与工作状态的关键因素,开发基于铁磁材料的温度感知技术对现代低功耗芯片的设计与优化具有显著意义。为此,本文提出了一种新型的自旋温度传感器,该传感器基于钨/钴铁硼/氧化镁/钽的铁磁异质结构,通过微纳加工技术制备霍尔条形(Hall bar)器件,研究不同温度下反常霍尔电阻(R_(H))随垂直磁场的变化关系,拟合出相应反常霍尔电阻差值(ΔR_(H))与温度的函数关系,建立了从100 K到490 K的宽温度范围内的ΔR_(H)与温度的定量关系,从而实现对环境温度的感知。最后,本文对器件性能指标进行了表征与评估,并分析了器件测温的微观机制。研究表明该传感器在特定温度条件下经过多次循环读写测试以及长达10000秒的连续读取后,R_(H)值保持高度稳定,证明了其良好的可重复性和稳定性。本文所提出的温度传感器可以在一定精度内满足温度监测与感知的需求,并且具备与其他自旋电子功能器件相集成的能力,为实现芯片工作温度的感知提供了一种有效的技术方案。

Pt/La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_(3)异质结中的反常霍尔效应

非磁/铁磁异质结构中存在很多有趣的演生现象,特别是,铂/铁磁异质结构中的反常霍尔效应是一个研究热点.采用脉冲激光沉积技术和射频磁控溅射技术制备出具有原子级接触界面的铂/锰酸锶镧异质结,并对异质结的电输运性能进行了系统的研究.实验发现,铂/锰酸锶镧异质结中存在由铂贡献的反常霍尔效应,这是由磁近邻效应诱导铂表现出铁磁性造成的.反常霍尔电阻随着温度的降低而急剧增加,并且在低于40 K时改变符号.反常霍尔电阻随铂厚度的增加而急剧降低,证实了铂的铁磁性起源于异质结界面.此外,异质结在低外加磁场下可能产生了拓扑霍尔效应,这是由异质结界面处的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用诱导产生手性磁畴壁结构引起的.上述研究结果为进一步理解非磁/铁磁异质结构中的电子自旋和电荷输运之间的相互作用提供了实验基础.

基于超快热电效应及自旋热电子学效应的THz波产生

飞秒激光泵浦光电导天线、磁性异质结构、电光晶体、空气等会产生太赫兹脉冲,其产生原理主要基于飞秒激发下载流子、电极化的瞬态变化等非热效应。与此同时,飞秒激光泵浦物质不可避免地会产生超快热效应。近年来,基于超快热电效应以及与自旋相关的超快自旋热电子学效应产生太赫兹波获得越来越多的关注。本文详细介绍了利用塞贝克效应/能斯特效应这两种热电效应,以及自旋塞贝克效应/反常能斯特效应这两种自旋热电子学效应产生太赫兹波的研究进展。超快热电效应及超快自旋热电子学效应已在太赫兹产生方面展现出巨大潜力,有望推动太赫兹源及相关技术的发展。

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。

二维Kagome晶格Cd_(2)P_(3)中的量子反常霍尔效应

自量子反常霍尔效应在实验上被观测到以来,其丰富的物理特性便引起了科研界的巨大关注。该类体系在本征磁性的作用下,时间反演对称被打破,并在边缘处形成能量无耗散的边缘态,这一性质使其成为未来低功耗电子元器件的绝佳备选材料。通过第一性原理计算探究了Kagome晶格Cd_(2)P_(3)的电子、磁性性质以及拓扑结构,能带图显示导带与价带以线性交叉的形式在费米能级处形成一个Weyl点。在不考虑自旋轨道耦合时Cd_(2)P_(3)为狄拉克半金属态,引入自旋轨道耦合后费米能级打开一个9meV的带隙,并激发布里渊区的非零陈数C=1。此外,我们通过海森堡模型预测了该体系的居里温度为94K,计算结果表明Cd_(2)P_(3)与目前的实验体系相比能在更高温的环境下实现量子反常霍尔效应,这使得Cd_(2)P_(3)成为一个研究拓扑性质以及高温量子反常霍尔效应的理想平台。

我国首次实现光子的分数量子反常霍尔态

量子模拟实验有了重大突破。记者从中国科学院2024年5月6日召开的新闻发布会上获悉,利用“自底而上”的量子模拟方法,中国科学技术大学潘建伟院士团队在国际上首次实现光子的分数量子反常霍尔态。这是量子物理学和量子信息科学领域的一个重要进展。相关研究成果在线发表于《科学》杂志上。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时,电子受到洛伦兹力的作用,在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。这个效应由美国科学家霍尔在1879年发现,并被广泛应用于电磁感测领域。反常霍尔效应是指在没有外部磁场的情况下观测到相关效应。

激光诱导Al等离子体中的Doppler效应

用Nd:YAG脉冲激光烧蚀Al靶产生等离子体,利用时间分辨技术采集Al等离子体辐射的时间分辨信息,使用光学多道分析系统(OMAⅢ)记录Al等离子体辐射光谱,从而获得激光诱导Al等离子体时间分辨光谱。分别利用Lorentz函数、Gauss函数以及这两种函数的线性叠加函数(后简称叠加函数),对Al原子共振双线AlⅠ396.15nm,AlⅠ394.40nm进行拟合分析,解析出实验谱线所含的Lorentz和Gauss线形成分。通过对比这两种线形成分发现,实验谱线主要由Lorentz线形成分所组成,Gauss线形成分相对少得多。通过对比Lorentz函数与叠加函数对实验谱线的拟合曲线,给出了Doppler效应展宽谱线的直观图像,估算了Doppler效应导致谱线的增宽量。结果发现,Doppler效应引起的Al共振谱线增宽约2×10-3～8×10-3nm,这与理论计算结果6.7×10-3nm符合得很好。因此,通过拟合分析与理论计算,对激光诱导Al等离子体中的Doppler效应给以圆满解释。

磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

量子反常霍尔绝缘体,有时也被称为陈数绝缘体,是不同于普通绝缘体和拓扑绝缘体的一类新的二维绝缘体,该体系具有可被实验观测的特殊物理性质—量子反常霍尔效应。该体系的物态不能用朗道对称性破缺理论来描写,而要用到拓扑物态的概念。它的发现也经历了从反常霍尔效应的内秉物性阐释,到量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的发现,再到磁性拓扑绝缘体的理论预测与实现,并最终成功实验观测的漫长过程。由于量子反常霍尔效应的实现不需要外加磁场,而此时样品的边缘态可以被看成一根无能耗的理想导线,因此人们对于其将来可能的应用充满了期待。本文将从理论的角度简单综述该领域的发展历程、基本概念、以及相关的材料系统。

铝-锂单晶体的反常流变行为和PLC效应

研究了二元Ａｌ－Ｌｉ单晶体的反常流变行为和ＰＬＣ效应，结果表明：固溶态和欠时效态的Ａｌ－Ｌｉ单晶体，在一定温度范围的变形呈反常流变行为；Ａｌ－Ｌｉ中ＰＬＣ效应的出现对应于δ’粒子被切过，同时也是一种热激活过程．负的应变速率敏感性与ＰＬＣ效应的发对应关系。

Doppler展宽的四能级系统无反转激光的传播效应

在考虑Doppler效应下,通过理论分析和数值模拟研究了传播效应对开放四能级系统中的无反转激光特性的影响。研究发现:探测场和驱动场同向传输对系统获得无反转激光更为有利,要想提高探测激光的增益不仅要选取合适的入口处驱动场Rabi频率值,而且选取适当的驱动场和探测场初始失谐值对于提高激光增益也极为关键;随传播距离的增大,探测场上下能级粒子数一直满足无反转,而探测场上能级和驱动场上能级间的粒子数随传播距离的增大发生了Raman反转。

关于血流测量中的谐波Doppler效应

在血流Ｄｏｐｐｌｅｒ 测量中，利用超声对比增强剂（ＵＣＡ） 作用下的谐波Ｄｏｐｐｌｅｒ 效应是项新技术。本文首次报道了谐波Ｄｏｐｐｌｅｒ 产生的机理，频移公式，测量条件，校正方法等研究内容，指出了谐波Ｄｏｐｐｌｅｒ 的主要优点是扩展了测量低速血流的速度下限。

脉冲载荷作用下钢梁动力响应及反常行为的应变率效应

为了讨论率敏感材料软钢钢梁受矩形脉冲载荷作用下的动力响应问题,通过直接离散有限变形弹塑性连续体最小加速度原理中的Lee泛函得到基本控制方程,并将包含应变率的Cowper-Symonds方程嵌入应力-应变关系方程,使该计算模型计及材料的应变率效应,因而能够准确描述钢梁受爆炸和冲击载荷作用下的动力响应问题。该计算模型的有效性通过与通用有限元程序ABAQUS比较而得到了验证,并进一步与已有的刚塑性解做了对比。利用该计算模型进行数值计算,分析了均布和集中脉冲载荷作用下钢梁动力响应的应变率效应,结果发现对于钢梁存在新的异常行为响应模式,应变率导致异常区域偏移和扩大,已有的刚塑性解在一定载荷强度范围内不能准确预报钢梁的实际位移。

碱金属原子反常塞曼效应的微扰论分析

利用微扰论分析了碱金属原子在静磁场中有精细结构时的反常塞曼效应,推导出了发生反常塞曼效应时能级分裂的能量一般表达式,并且由Na原子的特例给出了证明。

Ta/Pt双底层Co/Ni多层膜的反常霍尔效应

通过JGP560A型磁控溅射仪制备了一系列以Ta/Pt为底层的Co/Ni多层膜样品,研究了多层膜中Pt缓冲层厚度、周期层中Co与Ni厚度以及多层膜周期数对样品反常霍尔效应和磁性的影响。结果发现:逐渐增厚的Pt层可以使样品的矫顽力增加,但是分流作用会导致样品的霍尔电阻降低,通过比较确定Pt缓冲层的厚度为2nm;磁性层中Co和Ni都处于一定厚度范围内时,多层膜的霍尔回线才能具有良好的矩形度,当厚度超出其特定范围时,多层膜的矩形度会变差,经过分析确定磁性层中Co和Ni的厚度为均0.4nm;磁性层的周期数对样品的性能也有着显著的影响,最终通过对周期数优化获得的最佳样品结构为Ta(2nm)Pt(2nm)Co(0.4nm)Ni(0.4nm)Co(0.4nm)Pt(1nm),该样品的霍尔回线矩形度非常好,霍尔信号明显,该样品总厚度在7nm以内,可进一步研究其在垂直磁纳米结构中的应用。

深掺杂Si反常电阻效应微型流量传感器

使用深掺杂方法在 Si材料中掺入金原子后 ,其电阻随温度 T的变化关系由主要依赖于 T- 3/ 2 项的浅掺杂材料变成主要依赖于 exp( -E/ KT)项的深掺杂材料 ,从而大幅度地提高了掺金 Si材料对温度的敏感性 .在理论上深掺杂 Si材料比浅掺杂 Si材料对温度的敏感性提高了约 1 0 0 0倍 .用深掺杂方法制成的微型流量传感器特性的测量证明了以上理论 .深掺杂 Si材料的应用不但提高了微型流量传感器的灵敏度 ,也大幅度地降低了其时间常数 .

量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的探索历程

回顾了霍尔效应、量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的探索历程.着重叙述了1985年、1998年获得诺贝尔物理学奖的量子霍尔效应研究成果,以及在我国实验室首次观测到量子反常霍尔效应的重大成就.