一维三格点光格子中拓扑振荡及拓扑非对称边缘态

为了全面认识奇数格点原胞中拓扑保护对于光束稳定传输的重要性,系统研究了一维三格点光格子模型中的光传输特性。利用能带理论和耦合模方程,对模型进行了模拟和仿真,发现两种在经典的两格点模型中不存在的具有拓扑保护的光传输行为,即具有拓扑保护的类拉比振荡光传输和具有拓扑保护的非对称传输,揭示了这两类光传输现象的物理机制,深入解析了光束振荡的本质,并验证了这两类光传输行为的鲁棒性,强调了光学系统在不同条件下的稳定性和可靠性。该研究可为利用奇数格点原胞中拓扑性质操纵光传输的潜在应用提供启示,并为新型拓扑光学器件的设计提供新的思路。

具有宇称-时间反演对称性的虚势能对T-型石墨烯结构能谱和边缘态的影响

本文通过T-型石墨烯结构的条带两侧分别施加单层或者双层具有宇称-时间(parity-time,PT)对称性的虚势能,考察了非厄米机制对能谱和边缘态的调控作用.结果发现,当对条带最外侧单层格点施加虚势能时,边缘态的能量出现虚部,并且从局域在系统两侧变为一侧.而拓扑平庸区出现PT对称相转变.当虚势能达到临界值时,体态的能隙中会有新的虚能边缘态.另一方面,当施加双层虚势能时,体系中会出现两种不同的边缘态.一种是出现在顶带和底带、局域在系统一侧的边缘态,另一种是出现在第2条和第3条能带中间、局域性相对较弱的边缘态,且不会进入能隙中.本工作有助于理解PT对称的边缘虚势能对T-型石墨烯结构物性的调控作用.

非厄米Su-Schrieffer-Heeger链边缘态和趋肤效应依赖的电子输运特性

在非互易Su-Schrieffer-Heeger(SSH)链中,电子在胞内的跳跃振幅依赖于其跳跃方向,因而,该非厄米SSH链同时存在非平庸拓扑边缘态和非厄米趋肤效应.相应地,如何探测非厄米SSH链的边缘态和趋肤效应成为非厄米物理学的一个重要课题.本文研究了非厄米SSH链的非平庸拓扑边缘态和非厄米趋肤效应对其零能附近电子输运特性的依赖关系.研究发现当电子在零能附近透射率峰的峰值远小于1时,非厄米SSH链具有左趋肤效应;反之,零能附近电子透射率峰的峰值远大于1时,非厄米SSH链则具有右趋肤效应.特别是,在非平庸拓扑边缘态区域内,非厄米SSH链的趋肤效应被进一步增强.另外,当非厄米SSH链与左、右导线之间的电子隧穿耦合强度由弱到强改变时,零能附近电子反射率谷的数目将从2个变为0,此特性可以用来探测非厄米SSH链具有非平庸拓扑边缘态.上述结果在理论上为探测非厄米SSH链的非平庸拓扑边缘态和非厄米趋肤效应类型提供了一种可选择的方案.

基于Kekulé晶格非厄米系统拓扑边缘态的研究

基于Kekulé晶格,验证了物质拓扑相与晶格原子间耦合作用之间的关系,研究了非厄米效应对拓扑绝缘体的影响。设计了两种格点增益损耗分布方式,分别说明了不同增益损耗对体态能谱、边缘态能谱的影响。随着增益损耗值的增大,体态能谱和边缘态能谱将经历能带间隙减小,能带在临界值处关闭形成狄拉克点,随后狄拉克点劈裂形成一对奇异点的过程。区别于传统对Kekulé晶格的研究,在保持系统胞内耦合作用相同的基础上,将胞间耦合作用分化为水平方向和垂直方向的两个量,分别进行调控,验证了拓扑边缘态能谱中能带间隙的有无不仅与几何边界相关,也受系统胞间耦合相互作用的调控。

大学生学习“边缘态”初探

在高校大学生的学习中,有一种想学又学不进去的现象。通过长期的观察与研究,我们可以把这种学习状态形象地视为一种站在学习门口的“边缘状态”,简称为学习“边缘态”。根据大学生学习“边缘态”发生的一系列原因,以及许多教师在教学与心理辅导中引导学生摆脱“边缘态”的策略和操作经验,高校教师对大学生的学习应给予重视和相应的指导。

非政府组织员工“边缘态”的管理策略

员工"边缘态"具有自发性、隐蔽性、扩散性等特征,可能导致非政府组织效率下降、形成负面公众形象。本文在员工"边缘态"模型基础上,分析了非政府组织员工"边缘态"的表现形式和产生原因,在此基础上提出了非政府组织应对员工"边缘态"的管理策略。

三聚化非厄密晶格中具有趋肤效应的拓扑边缘态

近年来,探索新的拓扑量子结构、深入分析各种多聚化拓扑晶格中的新奇物理性质已经成为热点.并且,多聚化拓扑模型在量子光学等领域的研究也愈发深入,拥有广阔的发展前景.本文聚焦于研究三聚化非厄密晶格中的新奇拓扑特性.首先,若晶胞内最近邻正反向耦合不相等,三聚化模型中的体态和边缘态出现趋肤效应.其中,随着最近邻耦合正反系数差的增大,拓扑保护的边缘态的宽度和简并度均可被调制,边缘态数量也会减少.其次,当在考虑次近邻耦合的影响时,随着次近邻耦合系数在适当范围内变化,系统本征能谱的上下能隙及其中具有趋肤效应的边缘态也会发生不对称的变化.此外,当适当改变两种耦合系数,三聚化非厄密模型的体态和边缘态的局域程度也会随之发生变化.

低维介观系统中磁边缘态输运特性

低维介观系统中，当存在垂直方向磁场时，磁边缘态的形成、存在和其固有的特性对系统的量子相干输运过程起着至关重要的作用。本文通过求解相关的单电子的薛定谔方程，来演示准一维量子线中磁边缘态的形成，讨论磁边缘态波函数的一般性质和规范变换及坐标旋转变换下边缘态的变换形式。简单介绍耦合平行双量子线的磁致输运特性，此时色散关系中出现能级交叉、劈裂、和振荡结构，并导致方波型振荡的磁电导谱。最后，简单介绍一维和有限宽度的介观环中持续电流和色散关系。

一维二元复式晶格的拓扑不变量与边缘态

在紧束缚近似下,系统地求解了一维二元复式晶格中电子的能量本征值问题,并且根据推广的布洛赫定理得到了有限晶格边缘态的解析表达式.边缘态可以普遍地存在于一维二元复式晶格中,并不仅仅局限于Su-Schrieffer-Heeger拓扑晶格.由于空间反演对称性破缺,Rice-Mele晶格是拓扑平庸的,但其边缘态对系统的非对角无序也是鲁棒的,缠绕数可以作为有限一维二元复式晶格存在边缘态的普遍判据.

体态和边缘态的电导峰

本文对有限Su-Schriefer-Heeger(SSH)晶格的能量本征态和电导问题进行求解,着重研究了引线-样品的耦合强度对其体态和边缘态电导峰的不同影响.只有在弱耦合极限下,电导峰才显示全部体态和边缘态的能量本征值;随着耦合强度的增大,全部电导峰都逐渐偏离能量本征值并变宽变低,其中边缘态的电导峰还会逐渐消失;耦合强度继续增大,剩存的电导峰又逐渐变高变窄,并在强耦合极限下与不包含两端原子的新孤立系统的能量本征值一一对应.体态和边缘态对引线-样品耦合强度变化的不同响应可作为区分边缘态与体态的有效途径,亦可作为系统中存在边缘态的重要判据.

光调控的Shastry-Sutherland格子上电子的体态-边缘态对应

在Shastry-Sutherland格子上运动的电子具有丰富的性质。利用Floquet方法证明在上述系统中高频圆偏振光产生包括Dirac fermion,semi-Dirac fermion,quadratic band touch,SO(3) fermion和具有能隙的多种物相。在考虑自旋轨道耦合作用后,发现4种无能隙激发的相之间是拓扑等价的。通过计算纳米带的边缘态,按照体态-边缘态对应原则,发现这4种无能隙激发相在打开能隙之后都变成拓扑绝缘体。此外,还发现semi-Dirac fermion体态的各向异性色散关系和沿不同方向裁剪的纳米带边缘态之间也同样存在体态-边缘态对应。

量子霍尔效应的边缘态

量子Hall体是一种拓扑绝缘态,它内部绝缘,边缘导电,存在单向导电、零电阻的边缘态。边缘态的存在,从本质上来说是电子的磁矩与动量耦合的结果,受到拓扑结构保护。在强磁场下,电子的磁矩只能取一种方向,因此边缘态电子只能沿一个方向运动,不能往后散射。本文从一维定向移动格点系统的哈密顿量出发,讨论了量子霍尔体系边缘态电子的低能激发和势垒散射,得到能量本征态与本征值。研究表明:边缘态电子的能谱是线性的,量子隧穿概率为1,与势垒的高度无关,不会被散射,电阻为零。

磁场中的拓扑绝缘体边缘态性质

用数值方法研究了拓扑绝缘体薄膜体系在外加垂直磁场作用下其边缘态的性质.磁场的加入通过耦合k+e A,即Peierls势替换关系和该作用导致的Zeeman交换场体现在哈密顿量中.考虑窄条圆环状结构的二维InAs/GaSb/AlSb薄膜量子阱材料,当其处于拓扑非平庸状态,即量子自旋霍尔态时,会出现受时间反演对称性保护的两支简并边缘态,而在垂直磁场的作用下,时间反演对称性被破坏,这时能带将形成一条条的朗道能级,原来简并的两支边缘态也会分开到朗道能级谱线的两侧,从电子态密度的空间分布情况则可以看到边缘态分别局域在材料的两个边界.随着磁场的增大,位于同一边界上的不同自旋极化的边缘态将出现分离:一支仍然局域在边缘,另一支则随外加磁场的增加而有逐渐演化到材料内部的趋势.文中还计算了同一边界上的两支边缘态之间的散射,结果表明由于两个边缘态在空间发生分离,相互之间的散射被很大的压制,得到了其散射随磁场增加没有明显变化的结论,所以磁场并不会增强散射过程,也没有破坏体拓扑材料的性质,说明了量子自旋霍尔态在没有时间反演对称的情况下也可以有较强的稳定性.

拓扑光子晶体边缘态理论与应用

近几年,拓扑光子晶体凭借独特的传播性能受到研究人员的广泛关注,随着理论模型的逐步成熟,拓扑光子学领域出现了一些新型应用。利用拓扑光子晶体形成的边缘态,设计具有单向传导能力、光路增强效应的光电子器件,这些器件会具有对局域缺陷的免疫、高传输效率等性质,在芯片开发、生物传感、军事通信等领域具有很广泛的应用前景。以在不同维度上拓扑光子晶体形成边缘的理论模型为基础,对目前已开发的光学器件,如拓扑激光器、光波导、单向传导器件、光调制器等,进行了分类总结与分析,展现出拓扑光子晶体在结构设计和材料选取上的巨大潜能。最后在明确目前拓扑光子晶体研究进展的基础上,对拓扑光子学器件在设计过程中存在的缺陷、优化方向进行评估与展望。

一维自旋轨道耦合费米气体的研究进展

在超冷费米气体中,通过调节自旋轨道耦合的强度,使其与费米能量相当,可以产生许多新奇的量子效应。在过去几十年里,学者对于一维自旋轨道耦合诱导的费米气体进行了大量的理论和实验研究。与高维自旋轨道耦合相比,一维自旋轨道耦合虽然显得比较简单,但它是实验上探索基本量子物理现象的最可靠和最易行的工具。本文系统地整理了理论工作中一维自旋轨道耦合下费米气体的有趣物理现象。包括动力学振荡和孤子效应、拓扑超流、Majorana边缘态、铁磁相变和量子相位方面的理论研究。在实验中,如何实现自旋轨道耦合并且观测奇异现象,是研究的热点和难点问题。我们梳理了几种常见的实验方案和检测方法,最后对一维自旋轨道耦合诱导下费米气体方面的研究进行展望。一维自旋轨道耦合可以为初学者提供借鉴,有助于研究自旋轨道耦合调控的多体系统。本文期望为冷原子物理初学者深入理解自旋轨道耦合下多体系统的物理机制提供参考。

扶手椅型二硫化钼纳米带的电子结构与边缘修饰

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了扶手椅型二硫化钼纳米带的几何构型与电子结构,发现其稳定性与电子性质敏感地依赖于边缘修饰.随着边缘修饰的H原子数增加,纳米带变得更加稳定,并在间接带隙半导体、半金属和直接带隙半导体之间转变.纳米带的能带结构和电子态密度显示,其费米能级附近的能带主要由边缘态贡献.当二硫化钼纳米带两边用不同数目的H原子修饰时,纳米带同时具有由这两种修饰引起的边缘态并且两种边缘态的相互影响很小.研究了三类纳米带带隙与宽度的关系,对于每个原胞修饰0个或8个H原子的纳米带,带隙随宽度以3为周期振荡变化;而对于每个原胞修饰4个H原子的纳米带,带隙振荡不再具有周期并且振荡幅度变小.

HgTe量子阱中的量子自旋霍尔绝缘态

近来,理论研究预言量子霍尔效应,在外加磁场为0的情况下物质出现的一种全新的量子态可以在HgTe/(Hg,Cd)Te量子阱中实现。我们制造了低密度高迁移率的样品结构,在样品中我们可以通过外加栅极电压调节载流子从n型穿过绝缘区到p型。对于宽度d<6.3nm的薄量子阱,绝缘区在低温下具有常规的难以察觉的微小电导。然而,对于厚的量子阱(d>6.3nm),在绝缘层中也出现接近2e2/h的剩余电导,其中e是电子电荷,h是Planck常数.剩余电导与样品宽度无关,证明这是由边缘态引起的.此外剩余电导可以被微小的外加磁场所破坏.在临界厚度d=6.3nm处发生的量子相变也与磁场诱发的绝缘-金属转变互相独立.这些观察结果为量子自旋霍尔效应提供了实验证据。

双表面周期性弹性声子晶体板中的谷拓扑态

随着拓扑理论的概念被引入到人工结构的研究中,由于其具有传输保护、能量无损耗、缺陷免疫等新奇的物理性质,引起了广泛的关注.本文基于弹性材料设计了一种双表面周期性结构声子晶体,其上、下表面由周期性排列的三角棱柱散射体组成,在只关注面外模式的Lamb波的情况下,构建了弹性声子晶体的谷拓扑态.只需简单旋转散射体,体系就会出现能带的反转,研究发现通过调节散射体的高度,可以实现谷拓扑边缘态频率的调控,由不同的谷霍尔材料组成的边缘界面处可以实现较宽频率的激发,进一步证实了边缘态频率可调控的思想可以在弹性材料中实现,并利用两种不同相组成的声子晶体板研究了拓扑输运情况,表现出优异的输运性能.这为谷拓扑保护弹性波激发中实现新的自由度.

在位势能诱导的鲁棒的多端口量子态传输通道

针对由长程相互作用诱导的多端口量子态传输通道,通过在相应的位置引入合适的在位势能,构建了更加鲁棒的多端口量子态传输通道.研究发现在位势能的存在将扩宽体能带与边缘态之间的能隙差,增大绝热演化参数的范围,从而降低了量子态传输所用的时间.