拓扑绝缘体/超导体异质结中的近邻效应

拓扑超导体自身具有对量子退相干天然的免疫性以及可编织性,这使得它在现代量子计算领域中受到了越来越多的重视,并且成为了下一代计算技术中最有希望的候选者之一。由于拓扑超导态在固有拓扑超导体中相当罕见,因此,当前大部分实验上的工作主要集中在由s波超导体与拓扑绝缘体之间通过近邻效应所诱导的拓扑超导体上。本论文中,我们回顾了基于拓扑绝缘体/超导体异质结的拓扑超导体的研究进展。在理论上,Fu和Kane提出,通过近邻效应将s波超导体的能隙引入到拓扑绝缘体,可以诱导出拓扑超导电性。在实验上,我们也回顾了一些不同体系中的拓扑超导近邻效应的研究进展。文章的第一部分,我们介绍了一些异质结,包括:三维拓扑绝缘体Bi_(2)Se_(3)和Bi_(2)Se_(3)与s波超导体NbSe_(2)以及d波超导体Bi_(2)Sr_(2)CaCu_(2)O_(8)+δ的异质结,拓扑绝缘体Sn_(1−x)Pb_(x)Te与Pb的异质结,二维拓扑绝缘体WTe_(2)与NbSe_(2)的异质结。此外,还介绍了TiBiSe_(2)在Pb上的拓扑绝缘近邻效应。另一部分中,我们对基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结进行了回顾,包括著名的基于Fu-Kane体系的拓扑绝缘体约瑟夫森结,以及基于约瑟夫森结的超导量子干涉器件。

莫尔石墨烯体系的新奇电学性质

讨论了转角双层石墨烯、转角多层石墨烯以及石墨烯-绝缘态异质结等体系中的电子结构、拓扑性质、关联物态、非线性光学响应、声子特征以及电声耦合效应等新奇物态和物性.首先讨论了在转角石墨烯体系中普遍存在的拓扑非平庸的平带和轨道铁磁性.其中,魔角双层石墨烯中的拓扑平带可以从零赝朗道能级的图像去理解.该图像可以很简明地解释实验上观测到的量子反常霍尔效应、关联绝缘态等新奇现象.这些拓扑平带也可以带来接近量子化的拓扑压电响应,可以用来定量地测量莫尔石墨烯中平带的谷陈数.转角多层石墨烯和交错转角多层石墨烯体系也存在一些普适的手性分解规则,可快速判断这类转角石墨烯体系中低能电子结构特征.然后进一步讨论了魔角双层石墨烯和转角多层石墨烯中的关联绝缘态、密度波态、向列序态以及单粒子激发谱的级联转变等新奇物性,并提出非线性光学响应可以当作区分各类“无特征”关联绝缘态的实验探针.其次讨论了转角双层石墨烯体系的莫尔声子性质以及非平庸的电声耦合效应.最后,讨论了能带对齐的石墨烯和绝缘衬底形成的异质结体系中的新奇物理图景,并对二维材料莫尔异质结体系中的新奇物性做了总结和展望.

反铁磁半金属EuCd_(2)Pn_(2)(Pn=As,Sb)中磁交换诱导的外尔态

由于丰富的拓扑量子效应及巨大的潜在应用价值,拓扑材料逐渐成为凝聚态物理前沿的研究材料体系。其中,作为与石墨烯具有相似电子结构的材料,三维拓扑半金属吸引了越来越多的研究兴趣。目前已知的拓扑半金属大多为非磁性的,而磁性拓扑半金属数量有限,与非磁性拓扑半金属相比较,研究开展的还比较少。磁性与拓扑之间的相互作用能够导致非常规的物理性质,如反常霍尔效应甚至量子反常霍尔效应等。此外,在一些具有特殊磁结构的拓扑半金属中,施加外磁场能够调制其自旋结构,从而影响其拓扑能带结构。在该综述中,笔者将详细介绍利用外磁场在EuCd_(2)Pn_(2)(Pn=As,Sb)反铁磁半金属材料中通过调制自旋结构从而改变晶体结构对称性来诱导拓扑相变。此外,笔者也将简单介绍包括GdPtBi和MnBi_(2)Te_(4)在内的几个相关材料。该综述中讨论的外磁场调控的磁交换诱导的拓扑相变不仅有望应用于拓扑器件,也有助于为理解磁性与拓扑态之间的紧密关联提供新的线索,对于设计新的磁性拓扑材料有启发意义。综述最后,笔者对发展磁性拓扑半金属做了一些简单展望。

拓扑半金属的角分辨光电子能谱研究

拓扑半金属是一类新奇的量子材料,它存在受拓扑保护的无能隙体态能带交叉和特征表面态.根据能带交叉的维度和简并度,拓扑半金属可以简单分为:零维的四重简并狄拉克半金属、二重简并外尔半金属、三重/六重/八重简并点半金属,和高维度的节线/节面半金属.近十年来,基于角分辨光电子能谱(ARPES)实验技术,人们可以直接测量拓扑半金属中的体态能带简并和特征表面态,清楚地揭示材料的拓扑本质.本文系统性回顾了使用ARPES研究各种类拓扑半金属的成果与进展,有助于理解其物理性质、拓扑起源以及探索更多新奇拓扑半金属.

有趣的纳米材料

0引言纳米(10~9 m)是生活中最常听到却无法具体感知的长度单位,毕竟一根头发均匀等剖成50000根以后的厚度大约为1nm;但在构成世界的原子中,1纳米又是数个原子直径的倍数。纳米材料是指在三维空间内至少有一个维度处于纳米尺寸(1-100 nm)的粒子。具体按照维数划分,纳米材料可分为零维纳米结构(空间中的三维均在纳米尺度范围内,如量子点、纳米晶)、一维纳米结构(空间中的二维均在纳米尺度范围内,例如纳米线、纳米棒等)、二维纳米结构(空间中有一维在纳米尺度范围内,如纳米薄膜、纳米片等)。

通往量子自旋液体的新路径——Kitaev模型的材料实现

Kitaev模型是一种建立在二维六角蜂窝状格子上的有效自旋为1/2的量子自旋液体模型。该模型可严格求解,具有拓扑序,分数化激发产生马约拉纳费米子与Z_(2)规范场,提供了对拓扑物理学与非易失性存储技术研究的新思路。区别于三角晶格与笼目格等材料中由于几何阻挫导致的量子自旋液体态,Kitaev量子自旋液体的形成来源于自旋空间中各向异性的Kitaev相互作用。近年来,在真实材料体系中寻找这种相互作用成为了实现量子自旋液体的新途径。其中,具有六角蜂窝状结构的莫特绝缘体α-RuCl_(3)被认为是众多候选材料中最具潜力的一种。文章将从实验角度出发,以α-RuCl_(3)为主要代表体系,介绍近年来在Kitaev量子自旋液体实验研究方面的重要进展,特别是以中子散射为主要手段对材料中与Kitaev量子自旋液体态相关的自旋激发态研究的结果。