嵌入不同耦合强度的串联双量子点铁磁臂系统中的自旋反转输运

采用slave-boson平均场近似方法,通过对嵌入不同耦合强度的串联双量子点铁磁臂系统中的自旋反转输运这一问题的研究,发现无论双量子点系统处于弱耦合还是强耦合状态,Kondo共振峰都会出现不同结构的分裂,这主要是由于自旋反转作用改变了量子点的能级以及量子点间的耦合使得Kondo共振峰发生分裂。这些新奇的分裂现象使得这一双量子点系统的物理特性更有意义,它们将有助于解释自旋电子学中的电子强关联问题。     

纳米尺度下超导体和拓扑绝缘体的电输运特性

超导体和拓扑绝缘体研究是当前凝聚态物理领域中的重大课题.文章重点介绍了作者所在实验室在纳米超导和拓扑绝缘体电输运领域的实验进展,其中包括金属和铁磁纳米线中的超导近邻效应、半金属纳米线中的新奇超导特性、拓扑绝缘体薄膜中的量子输运以及超导态-拓扑量子态的相互作用等,并对该领域的进一步发展进行了展望.     

拓扑近藤绝缘体SmB6中的奇异电子性质

拓扑近藤绝缘体是一种本征的强关联拓扑电子体系，其体能隙来源于近藤关联效应。自2010年拓扑近藤绝缘体的理论概念被提出后，六硼化钐(SmB6) 作为第一种被预测为拓扑近藤绝缘体的材料在这十多年中被多种实验手段反复研究验证，被广泛接受认为是第一种拓扑近藤绝缘体。在这篇综述中，我们回顾了关于SmB6 的一些重要实验结果，比如电输运测量，角分辨光电子能谱(ARPES), 表面形貌分析(STM) 等，并论述了如何通过这些关键的实验证据证实SmB6 的拓扑近藤绝缘物相。同时，我们也展示了SmB6 这一关联电子体系的其他奇异物性，包括中间价态在表面和体内的分离现象，以及量子振荡发现的体振荡信号等等。这些性质表明我们对SmB6 这一材料的理解仍然不充分，其中还有更为丰富的物理值得挖掘。     

串型耦合双量子点处于自旋阻塞区时磁输运性质的研究

使用双杂质安德森模型的哈密顿量,从理论上研究了串型耦合双量子点系统处于自旋阻塞区时的磁输运性质,并用主方程近似方法求解了哈密顿量.结果表明,自旋轨道耦合作用导致的双量子点间的自旋反转隧穿能够解除系统的自旋阻塞.同时也研究了超精细相互作用导致的在量子点内自旋反转和双量子点之间的自旋关联对系统的磁输运性质的影响,取得了一些有价值的结果,并对相关的物理问题进行了讨论.     

量子气体中的输运行为

输运测量是了解物质性质的一个重要手段.本文简单介绍最近在量子气体中实现的输运实验及其主要结论,包括在类似于介观物理器件中的Landauer输运和强相互作用费米气体中的自旋输运行为.我们着重讨论自旋动力学的特殊性以及其由于全同粒子相互作用所导致的特殊自旋扩散流的形式.     

有限温度张量重正化群方法及其在阻挫量子磁性研究中的应用

阻挫量子磁体中的新奇物态与效应是凝聚态物理研究的重要前沿方向,因其与高温超导、拓扑量子计算等的密切联系,近年来吸引了人们浓厚的研究兴趣。实验上,阻挫自旋液体候选材料的 新进展层出不穷,人们系统地研究了若干三角晶格、笼目晶格和六角Kitaev 阻挫磁体等材料,发 现其在一定条件下展现出自旋液体态的特征,但澄清其中的量子物态是充满挑战的量子多体问题。 作者最近的工作指出,可以从有限温度张量重正化群多体计算入手,开展热力学性质的精确计算 与分析,确定阻挫磁体的微观自旋模型,做出进一步理论预言并开展实验验证,从而建立量子磁性 系统的多体计算精确研究方案。有限温度张量重正化群方法是计算大尺寸二维阻挫量子自旋模型 有限温度性质的有力工具,在本文中作者首先介绍新近发展的系列张量重正化群方法,包括线性 和指数张量重正化群等。随后,作者讨论有限温度张量方法在三角晶格量子伊辛磁体TmMgGaO4 和六角晶格Kitaev 磁体α-RuCl3 的微观自旋模型中的具体应用：通过高精度和全面的多体计算, 揭示出其中存在演生U(1) 对称性与拓扑相变,以及高场量子自旋液体态等新颖的结论,这些理 论预言也陆续被实验所证实。通过上述实例,作者展示了有限温度张量重正化群计算方法在自旋 液体候选材料研究中的应用价值,并期待这些方法能在强关联量子物质研究中发挥重要作用。     

强关联电子系统超导电性的高压研究

具有强关联电子特性的凝聚态系统中,电子间的强关联性主导系统的宏观量子特性。这类系统具有电荷、自旋、轨道、晶格及拓扑等多重自由度,这些自由度强烈耦合,产生复杂的多体相互作用,导致系统出现丰富奇异的量子现象,如非常规超导电性、庞磁电阻、金属-绝缘体转变、拓扑量子相变等。其中,非常规超导体的研究于近几十年取得了不少进展,例如发现了铜氧化物高温超导电性和铁基超导体,然而导致非常规超导电性的原因,尤其是对高温超导电性的机理认识目前尚不清楚,非常规超导机理一直是凝聚态物理研究领域中最具挑战性的问题之一。为此,简要介绍了近年来我们通过高压实验手段在重费米子超导体、铜氧化物超导体和铁基超导体这3类主要的非常规超导体研究中取得的进展、发现的新现象以及反映的新物理机理,包括磁性和超导电性的演化关系、价态变化对超导电性的影响、铜氧化物的普适压力相图等,旨在提供非常规超导体在高压研究方面的一些实验新进展,以期为更好地理解非常规超导的微观机理提供压力维度下的一些信息。     

低维纳米材料量子热输运与自旋热电性质 ——非平衡格林函数方法的应用

低维材料不断涌现的新奇性质吸引着科学研究者的目光. 除了电子的量子输运行为之外, 人们也陆续发现和确认了热输运中显著的量子行为, 如 热导低温量子化、声子子带、尺寸效应、瓶颈效应等. 这些小尺度体系的热输运性质可以很好地用非平衡格林函数来描述. 本文首先介绍了量子热输运的特性、声子非平衡格林函数方法及其在低维纳米材料中的研究进展; 其次回顾了近年来在 一系列低维材料中发现的热-自旋输运现象. 这些自旋热学现象展现了全新的热电转换机制, 有助于设计新型的热电转换器件, 同时也给出了用热产生自旋流的新途径; 最后介绍了线性响应理论以及在此理论框架下结合声子、电子非平衡格林函数方法进行的一些有益的探索. 量子热输运的研究对热效应基础研究以及声子学器件、能量转换器件的发展有着不可替代的重要作用.     

量子自旋液体候选材料的缪子自旋弛豫研究

量子自旋液体是一种新奇的磁性物态。由于极强的量子涨落，直至零温都不会出现长程序。量子自旋液体的基态不能用序参量描述，并且缺少对称性破缺，因此该物态的实现打破朗道理论的范式。对于量子自旋液体的研究有助于理解高温超导的机理，并且可以被应用在量子计算和量子信息中。目前，尽管理论上有了长足的发展，但仍旧没有任何一个材料被证实为量子自旋液体。因此，探测和确认一个真正的量子自旋液体材料是当前的研究重点。缪子自旋弛豫是一个对磁场极为敏感的实验技术，被广泛应用于量子自旋液体候选材料的研究中。该技术可以观测基态中是否存在磁有序，测量系统中的涨落频率，这两点都是表征量子自旋液体的重要性质。本文简要介绍了量子自旋液体态和缪子自旋弛豫技术，回顾了近期在不同体系的量子自旋液体候选材料中的实验结果，特别是缪子自旋弛豫的成果。这些体系包括一维反铁磁海森堡链（苯甲酸铜），三角格子（YbMgGaO4，NaYbO2 和TbInO3），笼目格[ZnCu3(OH)6Cl2 和 m3Sb3Zn2O14]，蜂窝状格子（Na2IrO3 和 α-RuCl3），以及烧绿石结构（Tb2Ti2O7，Pr2Ir2O7 和Ce2Zr2O7）。     

石墨烯中新奇量子物态的研究

石墨烯特殊的晶格结构和能带结构赋予了它独特的电学性质. 近年来, 分数量子霍尔态、 魔角石墨烯中的 关联绝缘体态和超导态等现象的发现不断证明着石墨烯是一种理想的二维模型体系, 可用于实现一系列新奇的量子物态, 对石墨烯中新奇量子物态的探测和调控也一直是凝聚态物理领域的前沿研究热点之一. 本文将系统地介绍近年来石墨烯中对称性破缺量子物态的研究进展, 包括平带中强关联量子物态的研究以及谷赝自旋调控的研究, 并介绍一种在纳米尺度、 单电子精度上探测二维材料体系简并度及对称性破缺态的普适方法, 希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.     

Ce 基重费米子材料的电子态研究与维度调控

重费米子材料作为一类典型的强关联电子体系,蕴含着非常规超导、奇异金属、量子临界、 磁有序、重电子态、关联拓扑态等新奇的量子态,而4f 电子在其中扮演着重要的作用。随着高分 辨角分辨光电子能谱和薄膜生长技术的发展,精确探测重费米子材料中4f 电子在能量/动量空间 的色散和谱权重成为了可能,这为从微观上理解这类材料中的电子关联效应和新奇量子现象提供 了重要的基础。本论文总结了几个典型的重费米子单晶和薄膜体系的电子态研究,包括Ce-115 体 系、CeCu2Si2、CeRh6Ge4 以及单晶 Ce 膜等。这些结果为理解重费米子体系中重电子态的形成 和温度演化、近藤杂化的能带/动量依赖、重电子能带与超导的关系、近藤效应与磁性和其它量子 态的竞争、4f 电子的维度调控等重要物理问题提供了谱学证据。     

Relevance of 3d multiplet structure in nickelate and cuprate superconductors

The recent discovery of superconductivity in doped rare-earth infinite-layer nickelates RNiO_2, R = Nd, Pr as a new family of unconventional superconductors has inspired extensive research on their intriguing properties. One of the major motivation to explore the nickelate superconductors originated from their similarities with and differences from the cuprate superconductors, which have been extensively studied over the last decades but are still lack of the thorough understanding.In this short review, we summarized our recent investigation of the relevance of Ni/Cu-3 d multiplet structure on the hole doped spin states in cuprate and recently discovered nickelate superconductors via an impurity model incorporating all the 3d orbitals. Further plausible explorations to be conducted are outlined as well. Our presented work provides an insightful framework for the investigation of the strongly correlated electronic systems in terms of the multiplet structure of transition metal compounds.     

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。     

高温超导体电子结构和超导机理的角分辨光电子能谱研究

超导是一种奇异的宏观量子现象.100多年来,已发现的超导体主要分为两类:以金属或者合金为代表的常规超导体以及以铜氧化物和铁基高温超导体为代表的非常规超导体.常规超导体的超导机理能被BCS超导理论完美解释,但高温超导体的超导机理至今仍未达成共识,已经成为凝聚态物理领域中长期争论且充满挑战的重大科学问题.从实验上揭示非常规超导材料的微观电子结构,是理解其奇异正常态和超导电性机理、建立新理论的前提和基础.角分辨光电子能谱技术,由于可以实现对材料中电子的能量、动量和自旋的直接测量,在高温超导研究中发挥了重要的作用.本文综述了我们利用角分辨光电子能谱技术在铜氧化物和铁基高温超导体电子结构和超导机理研究中取得的一些进展,主要包括母体的电子结构、正常态的非费米液体行为、超导态的能带和超导能隙结构以及多体相互作用等.这些结果为理解铜氧化物和铁基高温超导体的物性及超导机理提供了重要的信息.     

Low energy electronic states and triplet pairing in layered cobaltate

The structure of the low-energy electronic states in layered cobaltates is considered starting from the Mott insulating limit. We argue that the coherent part of the wave functions and the Fermi-surface topology at low doping are strongly influenced by spin-orbit coupling of the correlated electrons on the t(2g) level. An effective t-J model based on mixed spin-orbital states is radically different from that for the cuprates, and supports unconventional, pseudospin-triplet pairing.     

Strong correlations in electron doped phthalocyanine conductors near half filling

We propose that electron doped nontransition metal phthalocyanines such as ZnPc and MgPc, similar to those very recently reported, should constitute novel strongly correlated metals. Because of orbital degeneracy, Jahn-Teller coupling, and Hund's rule exchange, and with a large on-site Coulomb repulsion, these molecular conductors should display, particularly near half filling at two electrons/molecule, very unconventional properties, including Mott insulators, strongly correlated superconductivity, and other intriguing phases.     

Spin and polarized current from Coulomb blockaded quantum dots

We report measurements of spin transitions for GaAs quantum dots in the Coulomb blockade regime and compare ground and excited state transport spectroscopy to direct measurements of the spin polarization of emitted current. Transport spectroscopy reveals both spin-increasing and spin-decreasing transitions, as well as higher-spin ground states, and allows g factors to be measured down to a single electron. The spin of emitted current in the Coulomb blockade regime, measured using spin-sensitive electron focusing, is found to be polarized along the direction of the applied magnetic field regardless of the ground state spin transition.     

Transport properties of quantum dots

Linear and nonlinear transport through a quantum dot that is weakly coupled to ideal quantum leads is investigated in the parameter regime where charging and geometrical quantization effects coexist. The exact eigenstates and spins of a finite number of correlated electrons confined within the dot are combined with a rate equation. The current is calculated in the regime of sequential tunneling. The analytic solution for an Anderson impurity is given. The phenomenological charging model is compared with the quantum mechanical model for interacting electrons. The current-voltage characteristics show Coulomb blockade. The excited states lead to additional fine-structure in the current voltage characteristics. Asymmetry in the coupling between the quantum dot and the leads causes asymmetry in the conductance peaks which is reversed with the bias voltage. The spin selection rules can cause a ‘spin blockade’ which decreases the current when certain excited states become involved in the transport. In two-dimensional dots, peaks in the linear conductance can be suppressed at low temperatures, when the total spins of the corresponding ground states differ by more than 1/2. In a magnetic field, an electron number parity effect due to the different spins of the many-electron ground states is predicted in addition to the vanishing of the spin blockade effect. All of the predicted features are consistent with recent experiments.     

Similarities in electronic properties of organic charge-transfer solids and layered cobaltates

The apparently counterintuitive carrier concentration-dependent electronic properties of layered cobaltates have attracted wide interest. Here we point out that very similar carrier-concentration dependence has previously been noted in strongly correlated quasi-one dimensional (quasi-1D) organic charge-transfer solids. The normal states of both families can be understood, over the entire range of carrier concentration of interest, within the extended Hubbard Hamiltonian with significant intersite Coulomb interaction. As with the charge-transfer solids, superconductivity in the cobaltates appears to be limited to bandfilling of one-quarter. We point out further that there exist other families of correlated superconductors, such as spinels, where too strong correlations, geometric lattice frustration and bandfilling of one-quarter seem to be the essential features of the unconventional superconductors.