石墨烯体系中自旋和赝自旋的扫描隧道显微镜研究

石墨烯是由碳原子密堆积形成的具有六角蜂窝状结构的二维晶体,其简单的晶格结构和稳定的化学性质为构建理想的模型体系提供了极大的便利.石墨烯中的电子具有自旋、子格赝自旋、谷赝自旋等多重自由度,可以实现一系列新奇而丰富的量子物态.理论预言,石墨烯中的原子级缺陷可以诱导缺陷附近的局域电子形成自旋或赝自旋极化态.本文主要介绍利用扫描隧道显微镜技术探测并调控石墨烯中自旋和赝自旋自由度的方法,并着重展示研究思路和近年来北京师范大学在本领域的研究进展,力图让学生掌握基本的科学研究方法,同时希望为相关领域的科研人员提供借鉴.

二维材料平带的实现及其新奇量子物态

在二维材料平带中电子的有效质量急剧增大,电子的库仑排斥能将远远大于电子的动能,电子-电子相互作用效应显著,对应地将会产生一系列新奇的强关联量子物态,如量子霍尔铁磁态、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导态、Wigner晶体等.因此人们对于二维材料中的平带产生了极大的兴趣.近几年,与平带相关的强关联物性研究成为了凝聚态物理领域的前沿课题.实验上发展了多种方法,例如通过外加强磁场、构筑应变结构、引入转角等方式在二维材料中引入平带.本文通过对二维体系中平带的实现方法及其带来的新奇物理现象进行回顾,希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.

双层转角石墨烯的结构和电学性质

石墨烯是第一个被发现的层状二维材料,它的电学性质对层数和层间的堆垛方式有很强的依赖性。而层间的转角可以被看作是调控石墨烯电学性质的又一个可控的自由度。本文主要综述双层转角石墨烯的基本结构与性质,重点讲述转角对双层石墨烯电学性质的影响。我们将从理论与实验结合的角度出发,介绍双层转角石墨烯中Dirac费米子的新奇物理特性,重点阐述如何通过转角来调控石墨烯的电学性质。最后我们对双层转角石墨烯的研究现状进行总结和展望。

基于磁性隧道结的群体编码实现无监督聚类

利用新型材料器件发展类脑计算硬件研究的关键问题是发展出合适的算法,能够发挥新器件的特点和优势.群体编码是生物神经系统常见的编码方式,能够有效去除噪音,实现短时程记忆及复杂的非线性映射功能.本文选择自旋电子学器件中研究较多、工艺较成熟的磁性隧道结,应用其可调控的随机动力学实现群体编码.作为一个应用的例子,超顺磁隧道结构建的二层脉冲神经网络成功完成了鸢尾花数据集的无监督聚类.数值仿真表明基于磁性隧道结的群体编码可以有效对抗器件的非均一性,为类脑计算硬件研究提供重要的参考.

面向下一代对撞机的量子色动力学研究

作为描述强相互作用的基本理论,量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)对精确检验标准模型以及寻找新物理有着十分重要的意义.本文从对撞机物理出发,就其所涉及的QCD研究在近年来取得的相关进展,尤其是在固定阶计算与重求和技术、部分子分布函数及其计算等方面取得的进展,以及它们对于搜寻新物理、标准模型精确检验和强子内禀属性研究等领域的作用进行了简要的总结,并在此基础上对相关理论和方法在未来可能的应用以及与其他学科交叉的前景进行了展望.

超快自旋电子学研究进展

超快自旋电子学是当前信息处理技术革新最具前景的领域之一.与传统的电子学器件相比,基于自旋的新型信息器件具有功耗低、速度快、非易失性等特点.探究有关自旋的新颖物理现象和机制将极大地促进新一代磁性信息器件的开发与研制.本文综述在超快时间尺度磁学与自旋电子学研究的一系列进展.首先简要介绍自旋电子学的历史背景和飞秒激光诱导铁磁体超快退磁的发现;概括超快自旋动力学的相关物理机制与理论,包括唯象学三温度模型、含时密度泛函理论计算、Elliott-Yafet型自旋翻转机制等局域退磁机制和非局域超扩散自旋输运模型;深入总结亚铁磁和铁磁金属全光翻转的最新实验和理论研究;阐述超短激光诱导热电子自旋输运的发现和对超快磁动力学的影响,超快自旋转移矩效应,半导体材料超快自旋注入的实现及热电子输运中的自旋积累与耗散;分析自旋电子太赫兹源在性能优化与调控方面取得的进展;最后指出当前超快自旋电子学领域存在的挑战,并展望未来该领域的若干研究重点.

是否存在稳定的高原子序数原子?——狄拉克材料中的原子塌缩现象

相对论量子力学预言当原子序数超过某一特定值时,原子会发生塌缩现象.然而这一重要理论预言仍未得到实验的直接证实.狄拉克材料中的准粒子满足相对论性方程,并且体系的精细结构常数远大于真空中取值,因而可以用来探究原子塌缩现象.最近在狄拉克半金属中发现一种全新的以磁场对数为周期的磁阻振荡,表明体系中准粒子存在原子塌缩现象和伴随出现的离散标度不变性.

魔转角双层石墨烯的“魔幻”物性

在目前已知的二维体系中,石墨烯是最稳定、制备技术最成熟可控的材料;同时,其物理性质也得到了最广泛最深入的研究.过去的研究中,一般认为基于单电子图像（不需要考虑电子-电子相互作用）就可以非常好地理解石墨烯的性质.然而,Nature在2018年3月5日同期刊出两篇文章,报道石墨烯具有丰富的强关联量子物态.