磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应——无需外磁场的量子化霍尔效应

文章从平常霍尔效应出发,介绍了反常霍尔效应及其内秉物理机制,并在此基础上介绍了其量子化版本——量子化反常霍尔效应.然后从拓扑有序态的角度,重点讨论了量子化反常霍尔效应与量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等之间的区别与内在联系.最后介绍了通过在拓扑绝缘体(Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3)薄膜中掺杂过渡金属元素(Cr或Fe)实现量子化反常霍尔效应的方法.     

二维光/声学拓扑态

文章主要介绍光/声学拓扑态的基本概念和研究背景,评述了这一领域中二维体系研究的进展。首先简要回顾了霍尔效应及其与贝利曲率和对称性的关系,接着综合分析了不同对称性条件下的光和声拓扑态,包括光/声量子霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应的相关工作,最后讨论了该领域可能的发展方向和前景。     

二维声学系统中的拓扑相变及边界传输

拓扑声学的发现产生了一种可以有效抑制反射的声学边界传输态,不仅让人们重新认识了声传输现象,也扩展了声学新原理功能器件的研究领域。文章将介绍二维系统中拓扑声学的基本概念以及一些拓扑非平庸体系。主要关注利用背景流体构造的声类量子霍尔效应,利用共振耦合环形波导构造Floquet拓扑绝缘体,声类量子自旋霍尔效应以及声谷霍尔效应等。     

人工带隙材料的拓扑性质

近年来,人工带隙材料(如声子晶体和光子晶体)由于其优异的性能,已成为新一代智能材料的研究焦点.另一方面,材料拓扑学由凝聚态物理领域逐渐延伸到其他粒子或准粒子系统,而研究人工带隙材料的拓扑性质更是受到人们的广泛关注,其特有的鲁棒边界态,具有缺陷免疫、背散射抑制和自旋轨道锁定的传输等特性,潜在应用前景巨大.本文简要介绍拓扑材料特有的鲁棒边界态的物理图像及其物理意义,并列举诸如光/声量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体等相关工作;利用Dirac方程,从原理上分析光/声拓扑性质的由来;最后对相关领域的发展方向和应用前景进行了相应的讨论.     

光自旋霍尔效应及其研究进展

光束在经过非均匀介质后,自旋角动量相反(左、右旋圆偏振)的光子在垂直于入射面的横向相互分离,造成光束的自旋分裂,这种现象叫做光自旋霍尔效应.它类似于电子系统中的自旋霍尔效应:自旋光子扮演自旋电子的角色,而折射率梯度则起外场作用.光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径,在纳米光学、量子信息和半导体物理方面具有重要的应用前景;同时由于它与凝聚态和高能物理中的带电粒子自旋霍尔效应有高度的相似性和共同的拓扑根源,所以又为测量自旋霍尔效应这类弱拓扑现象提供了独特而又方便的机会.文章简单介绍了光自旋霍尔效应,并总结了近几年国内外的研究进展.     

光自旋霍尔效应的研究性实验教学

光自旋霍尔效应是由于光子的自旋-轨道相互作用导致自旋相反的光子相互分离的光学效应,极大地丰富了光学研究内涵,成为现代光学的研究前沿和热点.由于光自旋霍尔效应实验与由偏振片、望远镜、显微镜等器件组装的实验相通,因此可以把光自旋霍尔效应的研究成果进行整理,设计制作出适合于本科实验教学的仪器.本文对光自旋霍尔效应的研究进展进行了综述,并介绍了利用所开发的光自旋霍尔效应实验仪可开展的实验类型和进行研究性教学的情况.     

二维电介质光子晶体中量子自旋与谷霍尔效应共存的研究

基于量子自旋霍尔或谷霍尔效应的拓扑光子结构具有对缺陷免疫和抑制背向散射的特性,对设计新型低损耗的光子器件起到了关键作用.本文巧妙设计了一种具有时间反演对称性的二维电介质光子晶体,实现了量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的共存.首先基于蜂巢结构排布的硅柱经过收缩扩张,打开了布里渊区Γ点的四重简并点形成拓扑平庸或非平庸的光子带隙,实现量子自旋霍尔效应.经过扩张后的蜂巢晶格演化成为Kagome结构,之后在Kagome晶格中加入正负扰动,打破光子晶体的空间反演对称性,导致布里渊区的非等价谷K和K′的简并点打开并出现完整带隙,实现了量子谷霍尔效应.数值计算结果表明,由拓扑平庸与非平庸、正扰动与负扰动的光子晶体组成的界面上可实现单向传输且对弯曲免疫的拓扑边缘态.最后,设计了基于两种效应共存的四通道系统,此系统为光学编码与稳健信号传输提供潜在方法,为电磁波的操纵提供了更大的灵活性.     

光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射 面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比：自旋光 子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互 作用,和两类几何相位有关：一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry 相位;另 一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry 相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感, 结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析 光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍 光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成 像等领域的可能发展方向。     

声子晶体中的多重拓扑相

研究了圆环型波导依照蜂窝结构排列的声子晶体系统中的拓扑相变.利用晶格结构的点群对称性实现赝自旋,并在圆环中引入旋转气流来打破时间反演对称性.通过紧束缚近似模型计算的解析结果表明,没有引入气流时,调节几何参数,系统存在普通绝缘体和量子自旋霍尔效应绝缘体两个相;引入气流后,可以实现新的时间反演对称性破缺的量子自旋霍尔效应相,而增大气流强度,则可以实现量子反常霍尔效应相.这三个拓扑相可以通过自旋陈数来分类.通过有限元软件模拟了多个系统中边界态的传播,发现不同于量子自旋霍尔效应相,量子反常霍尔相系统的表面只支持一种自旋的边界态,并且它无需时间反演对称性保护.     

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.     

光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性研究

从光束角谱理论出发建立了描述光自旋霍尔效应的傍轴传输模型, 利用这一模型分析了光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性. 通过分析交叉偏振效应强度和入射角变化的规律, 发现交叉偏振效应越强, 光自旋霍尔效应中的自旋分裂越大. 为便于实验观察, 将入射角选在光自旋霍尔效应较强的布儒斯特角附近, 观测到了强的交叉偏振效应. 增大交叉偏振分量的同时减小初始偏振分量, 可显著增强光自旋霍尔效应. 这一调控方法为研制基于光自旋霍尔效应的新型光子器件提供了理论基础.     

磁光克尔效应中的光子自旋分裂

光子自旋霍尔效应类似于电子系统中的电子自旋霍尔效应, 是在折射率梯度和光子分别扮演的外场和自旋电子的角色下, 由自旋-轨道相互作用而产生的光子自旋分裂现象. 光子自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径, 同时也提供了一种精确测量相关物理效应的方法. 本文研究了磁光克尔效应中光子自旋分裂现象, 建立了磁光克尔旋转与光子自旋霍尔效应之间的定量关系, 并通过弱测量系统观测了磁场作用下铁膜表面的光子自旋分裂位移, 得到相应的磁光旋转角, 验证了我们所推导的理论预测. 本文的研究成果为精确测量磁光克尔系数和磁光克尔旋转角提供了一种新方法.     

拓扑改变凝聚态物理——2016年诺贝尔物理学奖

本文从物理学和凝聚态物理的大背景出发,评述了2016年诺贝尔物理学奖的获奖成就及其科学背景和后续发展.在描述了相和相变后,解释了拓扑相变如何绕过相变的维度限制,拓扑是如何揭示量子霍尔效应的实质并导致陈绝缘体,以及拓扑是如何使得1维反铁磁体的特性依赖于自旋量子数是整数或半整数.     

拓扑量子材料光电探测器研究进展

物质拓扑态的发现是近年来凝聚态物理和材料科学的重大突破。由于存在不同于常规半导体的特殊拓扑量子态(如狄拉克费米子、外尔费米子、马约拉纳费米子等),拓扑量子材料通常能表现出一些新颖的物理特性(如量子反常霍尔效应、三维量子霍尔效应、零带隙的拓扑态、超高的载流子迁移率等),因而在低能耗电子器件和宽光谱光电探测器件领域具有重要的研究价值。本文综述了拓扑量子材料的特性与制备方法以及在光电探测领域的发展现状,重点讨论了拓扑绝缘体与拓扑半金属宽光谱光电探测器的器件结构与性能,同时也对拓扑量子材料在光电探测器领域的发展前景进行了展望。     

磁光光子晶体中拓扑光子态研究进展

拓扑光子态是具有单向传输特性的新型波导态,展示出抗背向散射、障碍物及缺陷免疫等独特而神奇的物理性质。拓扑光子态因其独特性在拓扑激光器、量子信息、混合集成光路、非线性光学等领域具有广泛的潜在应用。磁光光子晶体为实现拓扑光子态、探索拓扑光子态新物性提供了重要平台。本文聚焦磁光光子晶体中拓扑光子态的研究进展,首先回顾有序、无序晶格中的拓扑光子态,揭示拓扑光子态的微观物理图像。接着讨论时间和空间反演对称性双破缺体系中的拓扑光子态,简述反手性拓扑光子态的产生。然后介绍宽带拓扑光子态及拓扑慢光态研究,展示新颖的拓扑光学现象及器件设计。最后针对磁光光子晶体中拓扑光子态研究面临的关键问题、未来发展趋势进行分析和展望。     

二维拓扑绝缘体退相干效应研究

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点.退相干效应对该体系的影响的研究不仅有重要的理论意义,而且也是实现未来量子器件的不可或缺的前期工作.文章作者从理论上研究了退相干对二维拓扑绝缘体特别是量子自旋霍尔效应的影响.研究结果表明,作为量子自旋霍尔效应的标志的量子化纵向电阻平台对不破坏自旋记忆的退相干效应(普通退相干)不敏感,但却对破坏自旋记忆的退相干效应(自旋退相干)非常敏感.因此,该量子化平台只能在尺寸小于自旋退相干长度的介观样品中存在,从而解释了量子自旋霍尔效应实验中所观测到的结果(见Science,2007,318:766).同时,文章作者还定义了一个新的物理量,即自旋霍尔电阻,并发现该自旋霍尔电阻也有量子化平台.特别是该量子化平台对两种类型的退相干都不敏感.这说明在宏观样品中也能观测到自旋霍尔电阻的量子化平台,因此更能全面地反映量子自旋霍尔效应的拓扑特性.     

拓扑声子与声子霍尔效应

拓扑学与物理的结合是近几十年物理学蓬勃发展的一个新领域,它不仅活跃在量子场理论以及高能物理中,更广泛地存在于凝聚态物理体系中,包括量子(反常、自旋)霍尔效应和拓扑绝缘体(超导体)等.声子是凝聚态体系中热输运的主要载体;最近由于各种声子器件的发现,声子学得到了广泛的关注.本文介绍了声子的拓扑性质以及声子的霍尔效应现象,分别评述了在破坏时间反演对称、破坏空间反演对称、以及同时破坏时间和空间反演对称三种情况下所产生的声子霍尔效应、声子谷霍尔效应等相关物理研究进展.最后对拓扑学在其他声学体系中的应用做了简单介绍,并进一步讨论了其未来的发展方向.     

拓扑新材料研究前沿的理论基础导引Ⅱ：多种拓扑材料

本专题旨在为感兴趣且学有余力的本科生和低年级研究生提供一条从大学物理到当前二维、三维拓扑新材料研究前沿的学习路径。专题包含两篇，本文是第二篇。基于第一篇回顾过的各种量子霍尔效应及其中的拓扑不变量，本篇介绍多种新材料，包括石墨烯、拓扑绝缘体和拓扑半金属。重点将放在晶格结构的紧束缚模型处理，以蜂窝六角晶格和方晶格为例推导出描述量子反常霍尔效应的两带模型，介绍能带结构与拓扑不变量(陈数、拓扑映射度等)的联系及其所导致的体-边对应关系(bulk-boundary correspondence)。其中自旋轨道耦合(spin-orbitcoupling)的写法、哈密顿量的傅里叶(Fourier)变换、能带结构的求解、拓扑不变量及边缘态的计算都有助于夯实初学者的理论基础。另外本篇还将简述不同种类的拓扑半金属的能带结构及其表面态。     

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。     

磁斯格明子拓扑特性及其动力学微磁学模拟研究进展

具有非平庸拓扑性的新型磁结构斯格明子,由于其拓扑稳定性、尺寸小、低电流驱动等方面的显著优势,有望应用于自旋电子学储存器件.拓扑和凝聚态物理学的结合,使得斯格明子展现出很多有趣的拓扑物理现象,吸引了众多的研究兴趣,同时这些性质也是其电流驱动下动力学特点的重要影响因素.本文从斯格明子的拓扑物理学基础及其自旋电子学器件应用相关动力学两个方面介绍了相关研究进展.在拓扑物理基础方面,介绍了斯格明子的拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应以及自旋轨道转矩等拓扑性质,由此讨论了斯格明子的动力学性质及其计算方法;在动力学方面,从非均匀电流驱动生成斯格明子、电流驱动下的稳定输运、产生湮灭过程的人工控制几个赛道存储应用关心的问题简要地介绍了相关微磁学模拟研究最新进展.