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.     

二维光子拓扑绝缘体研究进展

受凝聚态拓扑绝缘体研究的启发,整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等拓扑物理相继在光学系统中实现.光子系统因能带干净,样品设计简单且制作精度高等优势,逐渐成为研究物理拓扑模型和新型拓扑效应的重要平台.拓扑光子学提供了全新的调控光场和操控光子的方法,其拓扑保护的边界态可实现光子对材料杂质缺陷免疫...     

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.     

二维有机拓扑绝缘体的研究进展

新材料的发现促进了科学与技术的进步.拓扑绝缘体是近期材料领域新的研究热点,相关研究的进一步深入,不仅加深了人们对材料物理性质的理解,也为其在自旋电子学和量子计算机等领域的潜在应用提供了有价值的参考.近年来,理论工作预测了一系列由金属和有机物构筑的二维有机拓扑绝缘体,本文主要介绍六角对称的金属有机晶格与Kagome金属有机晶格两类典型的二维有机拓扑绝缘体的研究进展,其中重点介绍了理论预测的氰基配位二维本征有机拓扑绝缘体.除了理论计算方面的工作,还简要介绍了关于二维有机拓扑绝缘体材料合成方面的实验工作.二维有机拓扑绝缘体的理论与实验研究不仅拓展了拓扑绝缘体的研究体系,还为寻找新的拓扑绝缘体材料提供了思路.     

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.     

拓扑绝缘体简介

拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的物质形态,由于其独特的能带结构,具有零质量的狄拉克费米子及其相关的奇妙物理特性,近些年来引起了人们的广泛关注.同时,它还展现出在自旋电子学和量子计算等领域巨大的应用前景.     

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.     

拓扑半金属及磁性拓扑材料的单晶生长

拓扑材料因具有新奇物理特性受到广泛关注,这些材料一方面为基础物理研究提供了新的平台,另一方面在以拓扑物理为基础发展的器件研究方向上展现出潜在应用价值.凝聚态领域对于拓扑材料相关物理问题的研究主要通过两种方式开展:一是在已知的拓扑材料中不断挖掘新的实验现象和物理问题;二是不断预言和探索发现新型拓扑材料体系并开展合成.无论哪种方式,高质量单晶的获得都至关重要,它为角分辨光电子能谱、扫描隧道显微谱和磁场下的量子振荡等实验研究提供了前提保障.本文总结了拓扑材料的分类和发展,基于本研究组近些年开展的工作介绍了助溶剂法、气相输运法这两种拓扑材料单晶生长中常用的方法,并详细介绍了拓扑物性研究领域几类典型的拓扑材料及其生长方法,如拓扑绝缘体/拓扑半金属、高陈数手性拓扑半金属和磁性拓扑材料等.     

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.     

反铁磁半金属 EuCd2Pn2（Pn = As,Sb）中磁交换诱导的外尔态

由于丰富的拓扑量子效应及巨大的潜在应用价值,拓扑材料逐渐成为凝聚态物理前沿的研究材料体系。其中,作为与石墨烯具有相似电子结构的材料,三维拓扑半金属吸引了越来越多的研究兴趣。目前已知的拓扑半金属大多为非磁性的,而磁性拓扑半金属数量有限,与非磁性拓扑半金属相比较,研究开展的还比较少。磁性与拓扑之间的相互作用能够导致非常规的物理性质,如反常霍尔效应甚至量子反常霍尔效应等。此外,在一些具有特殊磁结构的拓扑半金属中,施加外磁场能够调制其自旋结构,从而影响其拓扑能带结构。在该综述中,笔者将详细介绍利用外磁场在 EuCd2Pn2 (Pn = As, Sb) 反铁磁半金属材料中通过调制自旋结构从而改变晶体结构对称性来诱导拓扑相变。此外,笔者也将简单介绍包括 GdPtBi 和 MnBi2Te4 在内的几个相关材料。该综述中讨论的外磁场调控的磁交换诱导的拓扑相变不仅有望应用于拓扑器件,也有助于为理解磁性与拓扑态之间的紧密关联提供新的线索,对于设计新的磁性拓扑材料有启发意义。综述最后,笔者对发展磁性拓扑半金属做了一些简单展望。     

轴子拓扑绝缘体候选材料层状Eu1-xCaxIn2As2的物性研究

二维磁性材料的研究推动了现代纳米电子器件的发展.寻找本征的具有磁性的层状材料,为探索研究新的二维磁性材料、制备二维电子器件提供了重要的材料基础.近来,本征二维反铁磁拓扑材料的发现引起了人们的广泛关注和兴趣.EuIn₂As₂被预言是一种轴子拓扑绝缘材料,它具有典型的反铁磁序和层状的晶体结构,其潜在的多种拓扑量子效应可以为未来新型电子学器件提供新的发展思路.实验结果表明EuIn₂As₂处于金属态,而非绝缘态.本文通过掺杂Ca来调节体系的费米能级和磁性,发现Eu_1-xCa₂As₂中仍然存在与母体类似的长程反铁磁的结果.反铁磁矩沿面内方向,符合理论预言的轴子态磁结构.在反铁磁转变温度以上发现了铁磁极化子.由此可见,非磁性杂质掺杂对体系的磁性影响不大,但是载流子浓度却降低了一个数量级,费米能级沿电子型方向进行调制.本文的研究为在二维磁性材料中探索和诱导非平庸拓扑态提供了重要信息.     

Li(Na)AuS体系拓扑绝缘体材料的能带结构

在拓扑领域中发现可以通过大数据搜索拓扑绝缘体,使得此领域对材料的探索转变为对材料性质的研究.半Heusler合金体系是非平庸拓扑绝缘体材料的重要载体.通过全势线性缀加平面波方法计算Li(Na)AuS体系拓扑绝缘体材料的能带结构.采用各种关联泛函计算LiAuS的平衡晶格常数,发现得到的能带图均为具有反带结构的拓扑绝缘体,...     

拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应

拓扑绝缘体是近年来发现的一类新的量子材料,已成为凝聚态物理的研究热点领域.厚度仅几纳米的拓扑绝缘体薄膜不但具有奇特的物理性质,而且还是拓扑绝缘体应用于平面器件的基础.文章以Bi2Se3为例,介绍了Bi2Se3家族拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长以及其能带、自旋结构和拓扑性质随层厚的演化.这些结果为人工调控拓扑绝缘体的电子结构和物理性质提供了指导.     

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.     

薄膜异质结及二维材料中的磁斯格明子

磁斯格明子因具有拓扑稳定、移动速度快、尺寸小、驱动电流密度低等优异性质引起了人们的广泛关注。它被视作未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的理想信息载体。基于磁斯格明子的自旋电子学器件具有非易失、高读写速度、高存储密度以及低功耗的优势,从而能满足人们对高性能器件的要求。此外,拓扑性与磁性的结合使得磁斯格明子成为研究拓扑磁性物理的良好平台。文章简要介绍了磁斯格明子的发展概况及其拓扑物理性质,并着重讨论薄膜异质结及二维材料中磁斯格明子的研究进展,为今后进一步探索磁斯格明子相关研究领域抛砖引玉。     

n-p 共掺杂材料体系自旋电子学性质研究进展

掺杂在调控材料体系的物理化学性质方面起着重要的作用.n-p 共掺杂方法借助n 型和p 型掺杂物间强的静电相互作用, 能够解决一些材料体系研究中存在的关键性问题, 进而有效的改进这些体系的某方面特殊性质.本文中, 将首先介绍n-p 共掺杂方法; 然后, 分别从非补偿性n-p 共掺杂和补偿性n-p 共掺杂出发, 对近些年来, 明确利用n-p 共掺杂方法, 在稀磁半导体、 石墨烯以及拓扑绝缘体等不同材料体系自旋电子学性质的相关研究进行详细介绍, 并对n-p 共掺杂方法在未来研究中的可能应用进行展望     

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.     

应变调控下Tl2Ta2O7中的拓扑相变

拓扑电子材料因为具有非平庸的拓扑态,所以会展现出许多奇异的物理性质.本文通过第一性原理计算对应变调控下的烧绿石三元氧化物Tl₂Ta₂O₇中的拓扑相变进行了研究.首先分析了原子轨道投影能带,发现体系费米能级附近O原子的(px+py)与pz轨道发生了能带反转,再构造了紧束缚模型计算得到体系的Z₂拓扑不变量确定了其拓扑非平庸性,最后研究了表面态等拓扑性质.研究发现未施加应变的Tl₂Ta₂O₇是一个在费米能级处具有二次能带交叉点的半金属,而平面内应变会破缺晶体对称性进而使体系发生拓扑相变.当对体系施加–1%的压缩应变时,它会转变为狄拉克半金属;当对体系施加1%的拉伸应变时,体系相变为拓扑绝缘体.本研究对于在三维材料中调控拓扑相变有着较重要的指导意义,并且为低能耗电子器件的设计提供了良好的材料平台.     

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。