相互作用驱动下Peierls-Hubbard模型的拓扑量子相变

最近实验上利用超冷费米气体研究相互作用的对称性保护的拓扑相(SPT)备受关注,尤其是探测开边界下的拓扑边界态。本文利用密度矩阵重整化群(DMRG)方法研究了Peierls-Hubbard模型的拓扑性,通过开边界下的拓扑边界态,纠缠熵和纠缠谱等多种方法确定了系统的拓扑相,绘制了相应的相图。相互作用驱动系统进入新的拓扑类,在冷原子超晶格中可以测量拓扑边界态的局域密度分布来确定系统的拓扑性质。     

声学蜂窝结构中的拓扑角态

高阶拓扑绝缘体是近年来发现的一类具有特殊拓扑相的新型拓扑绝缘体,目前已在光学、声学等多种经典波系统中实现.本文采用数值模拟方法研究了一种二维声学蜂窝结构,通过调节胞内和胞间耦合波导管,使体能带发生反转诱导拓扑相变,进而利用拓扑相构建出声学二阶拓扑绝缘体.蜂窝结构的拓扑性质可以用量子化的四极矩Q_ij表征,当Q_ij=0时,系统是平庸的;而当Q_ij=1/2时,系统是拓扑的.基于该蜂窝结构,分别研究了六边形和三角形结构的声学高阶态,在两种构型的蜂窝结构中均观测到了孤立的零维角态,研究结果表明只有存在钝角的六边形结构对缺陷具有鲁棒性,受拓扑保护.本文的拓扑角态丰富了高阶拓扑绝缘体的研究,同时可为紧凑声学系统中的鲁棒限制声提供一条新途径.     

基于SSH模型拓扑边界态和角态的实现

拓扑光子学的研究在光学通信领域具有重要的研究意义。为了实现拓扑边界态和角态,基于Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型,构建了二维正方形光子晶体结构,通过有限元软件仿真计算了该结构的能带,分析了对应的模式和拓扑相位。在此基础上实现了具有拓扑保护性质的边界态和角态,产生了相对带隙宽度为35%的较宽带隙,并通过频域仿真,验证了拓扑边界态具有单向传输特性和抗干扰的能力,拓扑角态能够把光波约束在角点的位置。结果表明：基于SSH模型设计的光子晶体结构能够实现高性能的拓扑边界态和角态,具有设计简单,容易实现的特点。     

Rashba自旋轨道耦合下square-octagon晶格的拓扑相变

本文研究了各向同性square-octagon晶格在内禀自旋轨道耦合、Rashba自旋轨道耦合和交换场作用下的拓扑相变,同时引入陈数和自旋陈数对系统进行拓扑分类.系统在自旋轨道耦合和交换场的影响下会出现许多拓扑非平庸态,包括时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态和量子反常霍尔态.特别的是,在时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应中,无能隙螺旋边缘态依然能够完好存在.调节交换场或者填充因子的大小会导致系统发生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反常霍尔态的拓扑相变.边缘态能谱和自旋谱的性质与陈数和自旋陈数的拓扑刻画完全一致.这些研究成果为自旋量子操控提供了一个有趣的途径.     

非厄米镶嵌型二聚化晶格

非厄米系统近年来受到了物理学相关领域研究人员的大量关注.非厄米因素的存在往往会带来许多在厄米系统中不存在的新奇效应.本文引入一类新的非厄米晶格系统—非厄米镶嵌型二聚化晶格.在这一模型中,交替变化的非对称跃迁被等间距地施加在某些相邻格点的跃迁项中.研究结果表明,随着非对称跃迁强度的增大,系统在开边界条件下的能谱会从实数变为复数.此外,系统中的非厄米趋肤效应和不同边界条件下的能谱性质会受到镶嵌型调制周期的影响.当这一调制周期为奇数时,系统中不存在非厄米趋肤效应,且其能谱在开放和周期边界条件下是一样的（拓扑边界态除外）;而当镶嵌型调制周期为偶数时,系统中存在非厄米趋肤效应,且其能谱在不同的边界条件下具有完全不同的结构.本文进一步研究了这类系统中的拓扑零能边界态,并计算了Berry相位对其进行表征.本研究揭示了镶嵌型非对称跃迁对系统性质的影响,拓展了非厄米系统这一领域的相关研究.     

基于拓扑光子晶体的新型光波导研究

光子晶体是具有光子禁带特性的周期性结构,它可具有拓扑属性.由于光学拓扑态能为系统带来一些新的特性,这些新特性在通信、计算、材料等领域都有着巨大的应用前景,因此对拓扑光子晶体的研究受到了广泛的关注.本文回顾了拓扑光子晶体的发展历程,介绍了3种拓扑光子晶体的理论原理与实验方案,分析了光子晶体具有单向传输和抗散射传输性质的边界态特性,并介绍了基于光子晶体的新型光波导的结构设计和性能表征.     

稠密颗粒介质热辐射传输特性的边界效应

稠密颗粒介质在自然界和工业生产中广泛存在。在高温条件下，辐射对传热过程有十分重要的影响，并且在实际工程应用中，边界的作用不可忽略。本文采用辐射传递函数(RDF)作为表征体系内辐射换热的特性参数，它是辐射传递因子(RD)从离散尺度到连续尺度的扩展，不仅包含几何信息还包含辐射能量信息。因此它可以完全表征体系中的辐射换热，从而有助于直观地分析边界对颗粒热辐射传输特性(以RDF分布进行表征)的影响。分析了在靠近反射性边界时颗粒填充率和颗粒表面发射率对颗粒热辐射传输的影响，结果表明，边界对于由RDF表征的系统内颗粒热辐射传输有重要影响，颗粒填充率和颗粒表面发射率对该影响具有调节作用。研究结果有助于深入理解稠密颗粒介质中的热辐射传输机制。     

从分数量子霍尔效应到拓扑量子计算*

分数量子霍尔效应系统是奇异的量子液体,其中的准粒子激发可以带分数电荷,甚至具有非阿贝尔的统计性质。理论研究表明,这些准粒子可以用来实现在硬件上可容错的量子计算,即拓扑量子计算。文章在介绍分数量子霍尔效应及其在拓扑量子计算中的潜在应用基础上,重点回顾了近五年来对填充因子为5/2的分数量子霍尔态中非阿贝尔准粒子的实验探测和部分相关理论诠释。     

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.     

二维介电光子晶体中的赝自旋态与拓扑相变

基于背散射抑制且对缺陷免疫的传输性质,光子拓扑绝缘体为电磁传输调控提供了一种新颖的思路.类比电子体系中的量子自旋霍尔效应,本文设计出一种简单的二维介电光子晶体,以实现自旋依赖的光子拓扑边界态.该光子晶体是正三角环形硅柱子在空气中排列而成的蜂窝结构.将硅柱子绕各自中心旋转60°,可实现二重简并的偶极子态和四极子态之间的能带翻转.这两对二重简并态的平均能流密度围绕原胞中心的手性可充当赝自旋自由度,其点群对称性可用来构建赝时间反演对称.根据k·p微扰理论,给出了布里渊区中心附近的有效哈密顿量以及对应的自旋陈数,由此证实能带翻转的实质是拓扑相变.数值计算结果揭示,在拓扑非平庸和平庸的光子晶体分界面上可实现单向传输且对弯曲、空穴等缺陷免疫的拓扑边界态.本文中的光子晶体只由电介质材料组成并且晶格结构简单,实现拓扑相变时无需改变柱子的填充率或位置,只需转动一个角度.因此,这种结构在拓扑边界态的应用中更为有效.     

基于符号序列描述的一类分段光滑系统中分岔现象与混沌分析

从拓扑序列出发，提出了描述DC/DC变换器一类分段光滑系统中的分岔现象和混沌行为的符号序列方法，根据最大子序列的性态判别分岔的类型，以及检测边界碰撞分岔的发生.例如,当发生倍周期分岔时，最大子序列保持不变；当发生边界碰撞分岔时，最大子序列发生变化；混沌态则没有最大子序列.研究表明，占空比是表征DC/DC变换器一类分段光滑系统动力学行为的一个最本质的量，“饱和非线性”是引起边界碰撞分岔产生的根本原因. 关键词： 符号序列 分岔 混沌 分段光滑系统     

偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响及其在构建拓扑边界态中的作用

光子晶体中的拓扑相变源自于其能带结构中带隙的打开-闭合-再打开,其中伴随着能带结构中带序(或本征态)之间的交换.本文探讨了偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响,它在构建拓扑边界态中的作用以及对边界态特性的影响.结果表明:反转偏置磁场方向会导致能量不同但宇称相同的本征态之间的交换,这种交换为构造不同特性的拓扑边界态(如多重边界态等)提供了更多选择性.根据边界两侧光子晶体能带结构的相对关系,可以预测在边界上是否出现拓扑边界态以及边界态的主要特性.     

基于轨道角动量的多用户量子身份认证协议

提出了基于光子轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的多用户量子身份认证协议。协议首先以光子OAM编码分布式网络节点,网络节点与子服务器之间共享光子OAM纠缠态。可信中心以相位因子分组网络用户,以OAM的纠缠特性实现不同光子OAM的隐形传态。协议利用量子信息保证了认证系统的安全性,以光子OAM实现了网络系统的多用户的同时认证。当OAM态具备两个正交极化方向时,拓扑态的拓扑荷值为l_i(i=1,2,…,4)时,身份认证系统的量子认证效率可提高2×l_i倍。     

二维各向异性SSH模型的拓扑性质研究

二维Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型是在拓扑物理领域受到广泛研究的一种模型,具有许多独特的物理性质.它属于高阶拓扑绝缘体,在第二条和第三条能带间会产生具有连续谱束缚态(bound states in the continuum,BICs)性质的角态.本文首先介绍了二维SSH模型的拓扑性质,在此基础上论证了第二条和第三条能带何时会在整个布里渊区上产生能隙.随后,计算了模型的电荷极化分布和电荷密度分布,证明了当x方向上胞内跃迁几率和胞间跃迁几率较大时,x方向的边缘电荷极化激发了y方向的边缘态,反之亦然.同时,边缘电荷极化激发了角上的异常填充,产生了具有良好局域性与鲁棒性的拓扑角态.最后,构建了一种声学谐振腔模型,并证明了该模型可以较好的模拟各向异性二维SSH模型的拓扑性质.     

铁磁绝缘体间的极薄Bi2Se3薄膜的相变研究

研究一个极薄三维拓扑绝缘体Bi₂Se₃薄膜处于两个铁磁绝缘体层之间, 其铁磁层的磁化方向都处于竖直平面, 系统拓扑性质随磁化方向夹角的变化. 从表面态电子低能有效哈密顿量出发计算系统的Chern 数, 和运用一个具有Armchair边界的单层六角晶格带的紧束缚模型模拟系统的体能带和边缘态, 来确定系统所处的拓扑相. 发现两个铁磁层的磁化方式从平行转到反平行的某一临界角度, 系统经历从反常量子霍尔相到普通绝缘相的转变.     

从大自然的分形之美中寻找非凡物态

分形在大自然中无处不在,其具有自相似性、分数维度的性质。最近在分形晶格中的理论与实验研究表明,在分数维度中没有体的概念却可以存在拓扑绝缘体。分形中的拓扑态具有一些新奇的特性,比如具有压缩的拓扑相、拓扑边界态分布于不同代的分形几何中。这些与常规拓扑绝缘体不同的独特之处展现了一个审视空间维度与拓扑相变相互作用的新视角。文章简要回顾了分形体系中拓扑物态的发展历史,并重点介绍了人工微结构中的拓扑分形绝缘体。     

超构材料中的光学拓扑态

拓扑态是当前凝聚态物理中的研究热点,是一种由于整体拓扑效应所导致的全新电子态。近年来,大量理论和实验工作表明,由于拓扑态本质上是一种单粒子波动行为,因此可以在光学体系中找到类比,于是开启了光学拓扑态这一新兴研究方向。光子晶体、光学耦合腔阵列等体系成为重要的拓扑态模拟平台。文章主要以一维Dirac方程体系和二维p波超导体系为例,介绍超构材料(Metamaterials)中的光学拓扑态特性,包括能带翻转、边界态、畴壁、涡旋零能态等典型拓扑行为。     

磁场中的拓扑绝缘体边缘态性质

用数值方法研究了拓扑绝缘体薄膜体系在外加垂直磁场 作用下其边缘态的性质. 磁场的加入通过耦合k+eA, 即Peierls势替换关系和 该作用导致的Zeeman交换场体现在哈密顿量中. 考虑窄条圆环状结构的二维InAs/GaSb/AlSb薄膜量子阱材料, 当其处于拓扑非平庸状态, 即量子自旋霍尔态时, 会出现受时间反演对称性保护的两支简并边缘态, 而在垂直磁场的作用下, 时间反演对称性被破坏, 这时能带将形成一条条的朗道能级, 原来简并的两支边缘态也会分开到朗道能级谱线的两侧, 从电子态密度的空间分布情况则可以看到边缘态分别局域在材料的两个边界. 随着磁场的增大, 位于同一边界上的不同 自旋极化的边缘态将出现分离: 一支仍然局域在边缘, 另一支则随外加磁场的增加而有逐渐演化到材料内部的趋势. 文中还计算了同一边界上的两支边缘态之间的散射, 结果表明由于两个边缘态在空间发生分离, 相互之间的散射被很大的压制, 得到了其散射随磁场增加没有明显变化的结论, 所以磁场并不会增强散射过程, 也没有破坏体拓扑材料的性质, 说明了量子自旋霍尔态在没有时间反演对称的情况下也可以有较强的稳定性.     

二维声子晶体中简单旋转操作导致的拓扑相变

构建了一种简单的二维声子晶体:由两个横截面为三角形的钢柱所组成的复式元胞按三角点阵的形式排列在空气中,等效地形成了一个蜂巢点阵结构.当三角形钢柱的取向与三角点阵的高对称方向一致时,整个体系具有C_(6v)对称性.研究发现:在保持钢柱填充率不变的条件下,只需要将所有三角柱绕着自己的中心旋转180°,就可实现二重简并的p态和d态在布里渊区中心Γ点处的频率反转,且该能带反转过程实质上是一个拓扑相变过程.通过利用Γ点的P态和d态的空间旋转对称性,构造了一个赝时反演对称性,并在声学系统中实现了类似于电子系统中量子自旋霍尔效应的赝自旋态.随后通过k·p微扰法导出了Γ点附近的有效哈密顿量,并分别计算了拓扑平庸和非平庸系统的自旋陈数,揭示了能带反转和拓扑相变的内在联系.最后通过数值模拟演示了受到拓扑不变量保护的声波边界态的单向传输行为和对缺陷的背向散射抑制.文中所研究的声波体系,尽管材料普通常见,但其拓扑带隙的相对宽度超过21%,比已报道的类似体系的带隙都要宽,且工作原理涵盖从次声波到超声波的很大频率范围,从而在实际应用上具有较大的优势和潜力.     

自旋轨道耦合Su-Schrieffer-Heeger原子链系统的电子输运特性

在Su-Schrieffer-Heeger (SSH)原子链中,电子在胞内和胞间的跳跃依赖于其自旋时,即SSH原子链存在自旋轨道耦合作用时,存在不同缠绕数的非平庸拓扑边缘态.如何探测自旋轨道耦合SSH原子链不同缠绕数的边缘态是一个重要问题.本文在紧束缚近似下研究了自旋轨道耦合SSH原子链的非平庸拓扑边缘态性质及其零能附近的电子输运特性.研究发现四重和二重简并边缘态的缠绕数分别为2和1;并且仅当源极入射电子的自旋被极化(铁磁电极)时,自旋轨道耦合SSH原子链在零能附近的电子输运特性才能反映其边缘态的能谱特性.尤其是,随着自旋轨道耦合SSH原子链与左、右导线之间的耦合强度由弱到强改变,对于缠绕数为2的四重简并边缘态,入射电子在零能附近的透射峰数目将从4个变为0;而对于缠绕数为1的二重简并边缘态情形,其透射峰数目将从2个变为0.因此,在源极为铁磁电极的情形下,通过观察自旋轨道耦合SSH原子链在零能附近电子共振透射峰的数目随着其与左、右导线之间耦合强度的变化,来探测其不同缠绕数的边缘态.上述结果为基于电子输运特性探测自旋轨道耦合SSH原子链不同拓扑性质的边缘态提供了一种可选择的理论方案.