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。     

凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变——2016年诺贝尔物理学奖解读

凝聚态物理中拓扑相变和拓扑物态的发现,获得了2016年度诺贝尔物理学奖。文章系统介绍了凝聚态物理中拓扑性的起源,并简要介绍了目前凝聚态物理中发现的主要几类拓扑态：拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、拓扑晶体绝缘体和拓扑半金属。     

声化学反应器研究进展

自八十年代后期以来，超声应用于有机合成、金属有机化学、电化学、聚合物化学等领域，取得了大量研究成果，引起了越来越多的化学工作者的兴趣[1-4]．利用超声波获取化学效应时，有许多实验参数需要加以控制，诸如超声频率、声强、处理时间、体系温度、外部压力、溶剂以及反应物浓度等．因此，为了适应声化学研究的需要，必须设计合适的反应器．国际上在这方面的研究十分活跃[5-11]，近年来研制和发展了许多新型的声化学反应器．本文拟对近年来国际上出现的实验室用声化学反应器作一简要介绍，以期对我国这方面的工作有所促进．一、液哨式…     

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导体外,由于拓扑性质上的相似性,在不超导的拓扑材料中调制出超导自然成为了实现拓扑超导的重要手段.目前,人们发展了栅极调制、掺杂、高压、近邻效应调制和硬针尖点接触等多种技术,已经成功地在许多拓扑绝缘体和半金属中诱导出了超导,并对超导的拓扑性和Majorana零能模进行了研究.本文回顾了本征拓扑超导候选材料,以及拓扑绝缘体和半金属中诱导出超导的代表性工作,评述了不同实验手段的优势和缺陷、分析了其超导拓扑性的证据,并提出展望.     

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。     

拓扑相和拓扑相变的量子模拟

随着拓扑相和拓扑材料的发现,拓扑已经从数学概念变成现代凝聚态物理学一个重要的前沿方向。尽管越来越多的拓扑材料被预言,在人造可控量子体系中进行拓扑量子模拟仍会对材料的理解和制备起到极大的促进作用。文章简单总结了基于冷原子和超导量子比特系统开展拓扑量子模拟的进展。介绍了这两种量子系统的特点,以及相应的拓扑量子模拟实验方法,还分析了这两种体系在实验手段和物理原理上的联系。     

Z2拓扑不变量与拓扑绝缘体

文章回顾了几种Z2拓扑数的计算方法,并详细介绍了一种用非阿贝尔贝里联络表示绝缘体Z2不变量的计算方法.这种方法可以确定出一般能带绝缘体的拓扑性质,而不需要限定波函数的规范.利用这种新方法,文章作者计算了二维石墨烯(graphene)系统的Z2拓扑数,得到了和以前研究相一致的结论.     

Z_2拓扑不变量与拓扑绝缘体

文章回顾了几种Z2拓扑数的计算方法,并详细介绍了一种用非阿贝尔贝里联络表示绝缘体Z2不变量的计算方法.这种方法可以确定出一般能带绝缘体的拓扑性质,而不需要限定波函数的规范.利用这种新方法,文章作者计算了二维石墨烯(graphene)系统的Z2拓扑数,得到了和以前研究相一致的结论.     

强激光场下化学反应的控制

简要阐述了强激光场下的ac Stark效应 ,回顾、评论了近年来利用ac Stark效应控制化学反应的几个典型实验和理论模型 .利用一维量子波包模型 ,揭示了NO分子Rydberg态在不同光强下获得不同布居是由于强光场下产生的ac Stark能移引起的 .并展望了利用ac Stark效应进行激发态布居控制的可能性     

激光磁共振方法研究异戊二烯与NOx的化学反应

以激光磁共振为手段分别在紫外照射和火花放电条件下观测到异戊二烯与ＮＯ／ＮＯ２的反应，所获得的信息对了解大气化学反应及光化学烟雾有着重要的意义。     

凝聚体中的拓扑量子态

探寻拓扑上非平庸的凝聚体物质状态,特别是其电子结构和输运性质,是当前凝聚体物理 学领域非常重要的前沿研究方向。本文讨论的大多数主题都与电子波函数的拓扑性质有关。全文 除简短的引言外,包括拓扑量子现象、各种拓扑相、拓扑性准粒子的异常输运性质、拓扑性集 体激发和耦合激发,以及继续发展的拓扑量子态研究五个章节。这些章节着重反映拓扑量子态研 究的各个侧面,汇总起来方可以凸显凝聚体中拓扑量子态的全貌。     

量子相干控制化学反应的进展和机遇

1995年 ,人们曾预言“量子控制多体动力学将成为化学物理的主流”(引自第 2 0届Ｓｏｌｖａｙ化学会议上ＳｔｕａｒｔＡ .Ｒｉｃｅ的主旨演说 .Ｓｏｌｖａｙ会议是研讨未来科学的高级会议 .这一届会议的主题是“光化学 :化学反应及其飞秒尺度上的控制”) .现在 ,我们看到了这股潮流正源源而来 ,每年都不断地在Ｎａｔｕｒｅ、Ｓｃｉｅｎｃｅ等杂志上刻下了里程碑 .人们一直希望控制化学反应的方向和历程 .早期的控制是被动的控制 ,即通过把握反应的宏观条件 (如温度、压力等 )或者选择适当的催化剂去实现 .自从分子反应动力学发展之后 ,人们在…     

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...     

拓扑绝缘体及其研究进展

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域中的一个热点问题.这类材料的典型特征是体内元激发存在能隙,但在边界上具有受拓扑保护的无能隙边缘激发.从广义上讲,拓扑绝缘体可以分两大类:一类是破坏时间反演的量子霍尔体系,另一类是新近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体.这些新材料的奇特物理性质和潜在的应用前景,使其倍受人们关注.文章对这种新奇物态的物理性质和研究进展做了简要的介绍.     

拓扑绝缘体及其研究进展

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域中的一个热点问题.这类材料的典型特征是体内元激发存在能隙,但在边界上具有受拓扑保护的无能隙边缘激发.从广义上讲,拓扑绝缘体可以分两大类:一类是破坏时间反演的量子霍尔体系,另一类是新近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体.这些新材料的奇特物理性质和潜在的应用前景,使其倍受人们关注.文章对这种新奇物态的物理性质和研究进展做了简要的介绍.     

磁序与拓扑的耦合:从基础物理到拓扑磁电子学

磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科,二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础.磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物,为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度.磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物态,通过拓扑增强的贝利曲率产生了一系列新奇的磁/电/热/光效应;而外尔电子与磁序的相互作用也使得拓扑电子物理有望成为磁电子学应用的新原理和驱动力.当前,新物态与新效应的发现是磁性拓扑材料第一阶段的主要任务和特征,而动量空间拓扑电子与实空间磁序的相互作用已经开始进入人们的视野.这两个阶段的深入发展,将为拓扑磁电子学积累必要的物理基础和应用尝试.本文着眼于磁性拓扑材料发展的两个阶段,讲述磁性拓扑材料的提出和实现、均一磁序下的拓扑电子态及新奇物性、局域磁态与拓扑电子的相互作用3个方面,阐述当前领域内的热点内容和发展趋势,并对拓扑磁电子学的未来发展进行了思考和展望,以助力未来拓扑自旋量子器件的快速发展.     

铁基超导中拓扑量子态研究进展

铁基超导体和拓扑量子材料是近年来凝聚态物理两个重要的前沿研究方向.铁基超导体中是否能衍生出非平庸的拓扑现象是一个非常有意义的问题.本文从晶体对称性、布里渊区高对称点附近的有效模型以及自旋轨道耦合相互作用三个方面具体分析了铁基超导的电子结构的基本特点.在此基础上,重点阐述铁基超导的正常态、临近超导的长程有序态以及超导态中非平庸的拓扑量子态是如何衍生的;具体介绍了相关的理论模型以及结果,回顾了相关的实验进展,展望了该领域的发展前景.     

基于对称性指标预测拓扑材料

拓扑材料是凝聚态物理和材料科学领域的前沿课题。随着理论方法的发展,最近人们在大规模筛选拓扑材料方向取得了多个进展。文章着重介绍作者基于对称性指标理论发展的根据在原子绝缘体基组展开系数高效判断材料拓扑性质的方法,以及相关的典型材料。人们预言的数千个新的拓扑体系为进一步深入研究拓扑材料提供了基础。