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。

磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应

量子反常霍尔效应是一种不需要外磁场、具有手性边缘态的量子化霍尔效应,可以用于构建其他新奇量子态和发展未来低功耗电子学器件等.该全新的量子效应于2012年首先由中国科学家在五层Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体薄膜中实现.在过去七年间,经过大家的努力,其观测温度从最初的30 mK已经提高到2 K左右,进一步提高量子反常霍尔效应的观测温度是目前该领域主要的研究方向之一,是许多拓扑量子效应走向应用的关键因素.本文主要总结了量子反常霍尔效应研究的实验进展,特别在提高其观测温度方面的研究进展.文章包括四个部分:前两个部分分别介绍磁性掺杂和磁性近邻拓扑绝缘体体系中量子反常霍尔效应研究,第三部分介绍最新发现的内禀磁性拓扑绝缘体体系,最后一部分对设计和构造高温量子反常霍尔效应系统的原理和路线图给出一些建议和展望.

单层二维量子自旋霍尔绝缘体1T'-WTe_(2)研究进展

量子自旋霍尔效应通常存在于二维拓扑绝缘体中,其具有受拓扑保护的无耗散螺旋边界态.2014年,理论预言单层1T'相过渡金属硫族化合物是一类新型的二维量子自旋霍尔绝缘体.其中,以单层1T'-WTe_(2)为代表的材料体系具有原子结构稳定、体带隙显著、拓扑性质易于调控等许多独特的优势,对低功耗自旋电子器件的发展具有重要的意义.本文总结了单层1T'-WTe_(2)在实验上的最新进展,包括基于分子束外延生长的材料制备,螺旋边界态的探测及其对磁场的响应,掺杂、应力等手段在单层1T'-WTe_(2)中诱导出的新奇量子物态等.也对单层1T'-WTe_(2)未来可能的应用前景进行了展望.

拓扑绝缘体中量子霍尔效应的研究进展

三维拓扑绝缘体因其独特的物性备受研究人员关注,而拓扑表面态的输运是探索其新奇物性的重要手段.其中,拓扑表面态的量子霍尔效应则是拓扑绝缘体输运研究的一个重要内容.本文简要回顾了拓扑绝缘体中量子霍尔效应的实现与发展.比较了拓扑表面态量子霍尔效应与其他体系的差别,讨论了其材料体系的发展,并介绍了其中的标度律行为.之后详细回顾了实验上对拓扑表面态量子霍尔效应磁性近邻与栅压调控等方面的研究.最后,展望了拓扑绝缘体中量子霍尔态的研究前景,希望能促进拓扑绝缘体的应用.

“拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应的实验研究”荣获2017年度高等学校科学研究优秀成果特等奖

＂拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应的实验研究＂荣获2017年度高等学校科学研究优秀成果特等奖日前,教育部在网站上发布了《关于2017年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）奖励的决定》,共有319项/人获得高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）。

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。

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。

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。

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.

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。

冷原子中的光致量子自旋Hall效应

讨论在冷原子体系中利用光致规范场模拟量子自旋霍尔效应.通过对6Li这样的多能级原子施加适当的激光脉冲,构造出具二重兼并的能量暗态(能量为零的本征态).类似于自旋二分量体系,可以分别定义2个暗态为自旋向上及自旋向下态.当原子在空间分布的激光场中运动时,其所感受到的有效自旋相关规范场将导致可观测的自旋霍尔电流.

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.

磁性拓扑绝缘体中的量子输运现象

磁性拓扑绝缘体是过去十年里凝聚态物理学领域的一个重要研究方向,其拓扑非平庸能带结构与自旋、轨道、电荷、维度等自由度之间的相互作用可以产生丰富的拓扑量子物态和拓扑相变现象.对磁性拓扑绝缘体输运性质的研究是探索其新奇物性的重要手段,对于深入理解拓扑量子物态以及开发新型低功耗电子学器件具有重要意义.本文回顾了近年来磁性拓扑绝缘体输运实验方面的重要研究进展,包括磁性掺杂拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应和拓扑量子相变现象、本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)中的量子反常霍尔相、轴子绝缘体相和陈绝缘体相,以及在脉冲强磁场下陈绝缘体演化出的螺旋式拓扑物态.最后,本文对未来磁性拓扑绝缘体研究的方向和该体系中尚未充分理解的输运现象进行了分析和展望.

三维拓扑绝缘体的磁电耦合效应与冷暗物质轴子

介绍了拓扑绝缘体与量子霍尔效应"家族"的关系和由来,并且从轴子模型的起源角度探讨了三维拓扑绝缘体的磁电耦合效应与冷暗物质轴子模型的联系与区别.结果表明:它们的联系在于材料的电子能带结构和QCD真空结构在拓扑特性上相似,因而有相似的电磁响应;但二者的物理起源不同,有关提议的用磁性拓扑绝缘体(TMI)测暗物质轴子的实验探测的轴子应该是外来的而非TMI产生的.