拓扑量子材料简介

近20年来,拓扑量子物态和材料已成为凝聚态物理领域最为重要、发展最快的前沿领域之一。文章简单回顾这一领域的研究进展,介绍包括拓扑材料体系、磁性拓扑材料、拓扑超导体及相关物理。这些材料涉及的研究范畴广泛,未来可能推动电子学、自旋电子学、光学等各个方向的基础研究和产业发展。     

电输运测量在拓扑量子材料研究中的应用

拓扑量子材料是一类具有非平庸拓扑序的物质,其在低耗散电子器件、拓扑量子计算和自旋电子学等领域展现出广阔的应用前景。作为研究拓扑量子材料的关键实验技术,电输运测量不仅在揭示电子能带结构和探测拓扑表面态方面发挥了关键作用,也为新型拓扑量子器件的设计与优化提供了重要技术支撑。文章首先介绍电输运测量的基本原理与实验方法,随后综述其在不同类型拓扑量子材料研究中的应用,最后简要探讨本领域未来的发展方向及挑战。     

石墨烯中的拓扑安德森绝缘体相

石墨烯是具有蜂窝结构的特殊二维材料,在电子器件应用方面具有潜力.拓扑安德森绝缘体现象是一种在无序诱导下系统从金属转变为拓扑绝缘体即拓扑安德森绝缘体的新奇现象.本文基于Haldane模型,利用非平衡格林函数理论,分别计算了不同状态下ZigZag边界准一维石墨烯条带的输运性质随无序的变化.研究发现拓扑平庸和拓扑非平庸状态下的系统都具有鲁棒的边缘态.当费米能处于导带中,两种状态的系统在较弱和较强无序作用下电导快速下降,而在中等无序强度下,前者电导下降减缓,后者出现电导为一的平台,表明系统出现拓扑安德森绝缘体相.对边缘态与体态的传输系数的分析表明Haldane模型中上述现象的形成基础是体态与鲁棒边缘态的共存,随着无序的增强体态被局域化,拓扑平庸的边缘态能一定程度下抵抗中等强度的无序,有拓扑保护的边缘态鲁棒性更强几乎不受影响,使得系统输运稳定性增强并产生电导平台.     

拓扑绝缘体的普适电导涨落

拓扑绝缘体因其无能量耗散的拓扑表面输运而备受关注, 揭示拓扑表面态因其 的贝利相位而产生的拓扑输运现象, 将有助于拓扑绝缘体相关器件的应用开发. 本文回顾了普适电导涨落(UCF) 揭示拓扑绝缘体奇异输运性质的研究进展. 通过调控温度、角度、门电压、垂直磁场和平行磁场等外部参量, 实现了对拓扑绝缘体的UCF 效应的系统研究, 证实了拓扑绝缘体中二维UCF 的输运现象, 并通过尺寸标度规律获得了UCF 的拓扑起源的实验证据, 讨论了拓扑表面态的UCF 的统计对称规律. 从而实现了对拓扑绝缘体UCF 效应的较为完整的理解.     

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...     

拓扑材料中的超导

近来,人们在凝聚态体系中发现了由拓扑不变量定义的物相,其中最重要的有拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等.这些物相的拓扑性质由非平凡的拓扑数描述,相应的材料被称为拓扑材料,具有诸多新奇的物理特性.其中拓扑超导体由于边界上有满足非阿贝尔统计的Majorana零能模,成为实现拓扑量子计算的主要候选材料.除了探索本征的拓扑超...     

二维六角晶体材料中的Dirac 电子

本文综述由碳、硅、硼氮和二硫化钼等单元素或双元素构成的二维六角晶体材料中Dirac 电子的研究成果与最新进展。文章从引言开始,接着介绍这些二维六角晶体材料的空间结构和基本电子性质;然后探讨外场调控下这些材料在能谱和光吸收、量子输运、激子凝聚和热Josephson 效应,以及拓扑量子相变等方面所表现出来的新奇的物理现象、简要的理论处理和可能的应用前景;最后给出二维六角晶体材料相关研究的总结和展望。谨以本文献给南京大学建立物理学科100 周年。     

层状磁性拓扑材料中的物理问题与实验进展

层状磁性材料与拓扑材料的交汇点同时结合了二者的优势,形成了在最小二维单元下同时具有磁序和拓扑性的材料体系,即层状磁性拓扑材料.这类材料的电子结构中可能存在狄拉克点、外尔点、节线等具有螺旋性或手性的拓扑电子态,同时涵盖了绝缘体、半金属和金属等的材料分类,导致新物性、新现象成为可能,因此引起了广泛的关注.本文主要以具有层状结构的本征磁性拓扑绝缘体、磁性外尔半金属、磁性狄拉克半金属等为例简要综述磁序与拓扑序之间的相互作用和近期部分的重要实验结果.此交叉材料领域方兴未艾,候选材料仍然非常缺乏,亟待进一步的开发和研究,是当前一个富有挑战的凝聚态物理前沿.     

二维六角角晶体材料中的Dirac电子

本文综述由碳、硅、硼氮和二硫化钼等单元素或双元素构成的二维六角晶体材料中Dirac电子的研究成果与最新进展。文章从引言开始,接着介绍这些二维六角晶体材料的空间结构和基本电子性质;然后探讨外场调控下这些材料在能谱和光吸收、量子输运、激子凝聚和热Josephson效应,以及拓扑量子相变等方面所表现出来的新奇的物理现象、简要的理论处理和可能的应用前景;最后给出二维六角晶体材料相关研究的总结和展望。谨以本文献给南京大学建立物理学科100周年。     

从磁性掺杂拓扑绝缘体到内禀磁性拓扑绝缘体——通往高温量子反常霍尔效应之路

量子反常霍尔效应被认为是已知的拓扑量子效应中最有希望获得广泛实际应用的一个.阻碍其应用的主要障碍是其很低的实现温度.文章介绍了在磁性拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应的机理和决定其实现温度的因素,回顾了过去几年在提高量子反常霍尔效应实现温度方面的研究进展,尤其是最近内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的相关工作.在此基础上提出...     

Gauge potential formulations of the spin Hall effect in graphene

Two different gauge potential methods are engaged to calculate explicitly the spin Hall conductivity in graphene. The graphene Hamiltonian with spin-orbit interaction is expressed in terms of kinematic momenta by introducing a gauge potential. A formulation of the spin Hall conductivity is established by requiring that the time evolution of this kinematic momentum vector vanishes. We then calculated the conductivity employing the Berry gauge fields. We show that both of the gauge fields can be deduced from the pure gauge field arising from the Foldy-Wouthuysen transformations.     

Optical tuning of Berry phase effect in topological insulators

We theoretically discuss the influence of driving laser field on the topological nature, one of the manifestation of the electron Berry phase effect, in two-dimensional electronic systems. Adiabatic change of the laser amplitude with circular polarization alters the “order parameter”, termed the Chern number, in topological insulator with broken time-reversal symmetry, resulting in photo-induced phase transition. The finding is an optical analog of the integer quantum Hall effect, that is triggered by the laser field instead of magnetic field. This parallelism suggests the similarity of effects to electron dynamics between circularly polarized light and magnetic field.     

Magneto transport on the surface of a topological insulator spin valve

The effects of the magnetization on the transport properties of a ferromagnet/barrier/ferromagnet spin valve fabricated with a topological insulator are studied. We consider two types of junctions, (i) an F₁/normal barrier (NB)/F₂ junction and (ii) an F₁/magnetic barrier (FB)/F₂ junction. The junctions in both cases lie in the xy-plane with the magnetizations in both ferromagnetic regions, F₁ and F₂ aligned in the z-direction. The charge carriers in the topological insulator have a Dirac like energy spectrum of a massive relativistic particle with the magnetization M playing the role of the mass. The gap opening is a special magneto feature of topological insulators. In an anti parallel alignment of the two magnetizations, the mass of the carriers is negative in the region where M is in the negative direction. The negative mass leads the behaviors of the magneto transport properties and the tunneling magneto resistance of these junctions to be quite different from those of graphene-based spin values.     

Manipulation of Dirac points in graphene-like crystals

We review different scenarios for the motion and merging of Dirac points in 2D crystals. These different types of merging can be classified according to a winding number (a topological Berry phase) attached to each Dirac point. For each scenario, we calculate the Landau level spectrum and show that it can be quantitatively described by a semiclassical quantization rule for the constant energy areas. This quantization depends on how many Dirac points are enclosed by these areas. We also emphasize that different scenarios are characterized by different numbers of topologically protected zero energy Landau levels.