外尔半金属及其输运特性

外尔半金属是继石墨烯以及拓扑绝缘体之后的又一个研究热点。相比于后两者,外尔半金 属独特的三维无能隙线性色散能带结构使得它有很多奇特的性质,如：手性反常、手性磁效应、 反弱局域化、手性朗道能级和负磁阻效应等。实际样品中无序总是不可避免的,所以考虑无序对 体系的影响是很有必要的。我们回顾了无序下第一类以及第二类外尔半金属的相变特性,并获得 了完整的相图,这些无序诱导的相变丰富了拓扑安德森绝缘体和安德森金属绝缘体相变的物理内 涵。我们同样回顾了长程短程无序影响下的第一类外尔半金属体系的输运,发现了一种不能采用 玻尔兹曼输运方程来描述的输运过程。我们介绍Imbert-Fedorov 位移这一光学中的效应在外尔 半金属中的实现,这为更好地应用外尔半金属提供了更多的可能性,随后采用波包散射,我们解 释了外尔半金属中的超高载流子迁移率问题的原因,最后我们给出一个简要的总结。     

关于拓扑费米子与其手性朗道能带的指标定理

拓扑半金属是近年来凝聚态物理的研究热点,而拓扑荷是拓扑半金属的核心概念.例如人们熟悉的外尔半金属,每个外尔点的拓扑荷等于±1,分别对应外尔点的手性是左还是右.探测费米点拓扑荷的常用方法是加磁场,观察朗道能带中的手性能带数,例如单个外尔点的朗道能带包含一个手性能带(图(a),(b)).通过很多模型的具体计算,大家注意到这...     

量子模拟外尔半金属

Weyl 半金属的拓扑性质会导致很多新奇的物理现象，比如表面的费米弧(Fermi arc)。本文则讨论 Weyl 半金属的手征磁效应(Chiral magnetic effect, CME)。这一效应的出现，与某种原因导致一对手性相反的 Weyl 点出现能量差有关。此时，左手性和右手性不平衡，引入外加磁场将导致Weyl 点附近产生正比于磁场强度并沿着磁场方向的拓扑电流，该现象通常被称为凝聚态物理中的手征磁效。强调凝聚态物理，是因为这个概念一般多见于核物理中夸克–轻子等离子体的形成过程，其中相对论性重离子碰撞过程起主导作用。值得注意的是，手征磁效应是左手和右手Weyl 点在能动量上分开导致的，与近年来广泛研究的手征反常(chiral anomaly) 具有本质的区别。比如，Dirac 半金属具有手征反常，但不产生手征磁效应。手征反常是指在平行的电场E 和磁场B 的作用下，Weyl 或Dirac 半金属中产生的左手（右手） Weyl 费米子会持续转化为右手（左手）Weyl 费米子。尽管这两种机制在Weyl 半金属中都存在，但却表现出不同的输运现象。其中一个明显的区别表现为：实现手征反常需要电场 E 和磁场 B 的共同作用，而手征磁效应引起的拓扑电流通常只需要磁场 B 的作用就可以了。     

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.     

封面故事

<正>随着拓扑能带理论的发展,越来越多的新粒子在凝聚态材料体系中被发现。最近,第二类外尔费米子在理论预言后受到了广泛的关注。南京大学物理学院的科研人员研究了第一个被预言的第二类外尔半金属材料WTe_2,在高质量的薄膜样品中观测到第二类外尔费米子各向异性的手征     

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...     

拓扑半金属-超导体异质结的约瑟夫森效应

拓扑半金属是一类受对称性保护的无能隙量子材料.因其相对论性能带色散关系,拓扑半金属中涌现出丰富的量子态和量子效应,例如费米弧表面态和手征反常.近年来,因在拓扑量子计算的潜在应用,拓扑与超导的耦合体系受到广泛关注.本文从两方面回顾拓扑半金属-超导体异质结体系近年来的实验进展:1)超导电流对拓扑量子态的模式过滤; 2)拓扑超导和Majorana零能模的探测与调控.对于前者,利用约瑟夫森电流对电磁场的响应,拓扑半金属中费米弧表面态的弹道输运被揭示,高阶拓扑半金属相被证实,有限动量配对及超导二极管效应被实现.对于后者,通过交流约瑟夫森效应,狄拉克半金属中4π周期的拓扑超导态被发现,纯电学栅压调控的拓扑相变被实现.本文最后展望了拓扑半金属-超导体异质结体系的发展前景和在Majorana零能模编织和拓扑量子计算上的潜在应用.     

实验观测非厄米系统奇异点的手性翻转现象

在非厄米系统参数空间的黎曼曲面上存在简并点,此时本征值和相应的本征矢量同时合并,这些非厄米简并点也被称为奇异点.作为非厄米物理系统的相变临界态,奇异点会引起诸多违反直觉的现象,如损耗诱导透明、单向隐身以及非对称的模式转换.特别有趣的是,奇异点的本征矢量是自正交的,并且由于维度的缺失,特定非厄米系统的奇异点具有固有的手性.本文基于开口谐振环这种特殊的超构材料谐振子构造了耦合系数符号可以灵活调控的非厄米系统,并在实验上观测了非厄米系统奇异点的手性翻转现象.利用耦合系数符号的改变来实现非厄米系统奇异点的手性态调控,不仅为研究开放系统中的基本非厄米物理开辟了一条新的途径,而且在设计高效手性模式转换以及手性天线等光子器件方面具有一定的应用价值.     

第一类与第二类外尔半金属界面上的菲涅尔反射系数

作为一种新型拓扑材料,外尔半金属及其光学性质是当前凝聚态物理以及光学领域的研究热点。根据人们的最新研究成果,介绍了第一类与第二类外尔半金属界面上菲涅尔反射系数的计算方法,模拟并揭示了不同化学势下菲涅尔反射系数随入射角θ_i和狄拉克锥倾斜度α_t的演变规律。研究结果表明,随着化学势和狄拉克锥倾斜度α_t的变化,第一类与第二类外尔半金属的反射系数以及布儒斯特角呈现出不同的演变规律。理论上可以通过化学掺杂并测量外尔半金属界面上的菲涅尔反射系数来判断外尔半金属的种类。     

探索“手征电子学”——第二类外尔半金属的手征输运

<正>1929年,物理学家Hermann Weyl理论预言了一种质量为零的相对论性费米子,称为"外尔费米子"~([1])。独特的是,这种费米子具有两种不同的类型,可以用"手征"来表示,其中一种费米子的自旋和动量方向平行,而另一种费米子相反,称它们分别具有"右手"和"左手"手征,如同人的左手和右手一样,具有镜像对称性。通     

谐振子势阱中双费米原子光钟的碰撞频移

原子钟提供了时间的标准,但原子间的相互作用往往限制原子钟的精度.本文理论研究了谐振子势阱中双费米原子光钟由于原子间的短程相互作用而在拉比频谱中引起的碰撞频移.考虑到原子光钟中短程相互作用一般较弱,并且晶格光的参数在Lamb-Dicke区间中,本文近似费米原子的外态不发生改变,进而推导出原子内态在拉比探测光驱动下满足的运动方程.微扰求解运动方程,得到一阶解的解析表达式,从而得到了拉比频谱的碰撞频移依赖于拉比探测光参数与在原子特定外态中相互作用的表达式.最后,利用谐振子势阱中格林函数的解析表达式,得到了有限温下碰撞频移与原子间相互作用的关系.研究结果表明,实验中可以通过精密测量原子光钟的频移获得原子间相互作用的信息.     

费米子家族新成员——突破传统分类的三重简并费米子的实验发现

<正>1928年,著名理论物理学家狄拉克(Dirac)提出描述带有相对论效应电子态的狄拉克方程。第二年,外尔(Weyl)指出狄拉克方程无质量的解描述的是一对具有相反手性的新粒子,这就是外尔费米子。1937年,马约拉纳(Majorana)预言,当狄拉克方程加上反粒子是自身的限制条件后,则描述的是另一种类型的费米子,即马约拉纳费米子。根据目前的理论,在宇宙空间中,由于受到洛伦兹不变性的限制,仅存在以上三种类型的费     

基于非简并光学参量放大器产生光学频率梳纠缠态

实验研究了阈值以下非简并光学参量放大器中的频率梳纠缠特性,在实验上制备了具有频率梳结构的Einstein-Podolsky-Rosen纠缠,实验中对5对频率梳边带间纠缠进行了测量,纠缠度约为4.5 dB.该频率梳纠缠态作为一种可扩展的量子信息系统,可为实现频分复用的多通道离物传态的实验提供必要的光源,为未来大容量的量子通信与网络提供了新思路.     

有趣的近藤效应

正寻找物质新态是凝聚态物理的重要前沿课题,也是科学家同行们激烈竞争的大舞台。近年来,随着科学技术的飞速发展,诸如拓扑超导态、拓扑绝缘态、外尔半金属态等一系列新物质态不断在实验中被观测到。金、铜、银等正常金属的电子基态称为费米液体态,其特征为电阻率     

磁场中拓扑物态的量子输运

拓扑物态包括拓扑绝缘体、拓扑半金属以及拓扑超导体.拓扑物态奇异的能带结构以及受拓扑保护的新奇表面态,使其具有了独特的输运性质.拓扑半金属作为物质的一种三维拓扑态具有无能隙的准粒子激发,根据导带和价带的接触类型分为外尔半金属、狄拉克半金属和节线半金属.本文以拓扑半金属为主回顾了在磁场下拓扑物态中量子输运的最新工作,在不同...     

名词浅释

电子简并态,费米电子气 最早人们曾以为在金属(或等离子体)中自由电子的性质类似于理想气体,其后发现它们和理想气体有很大的差别:它们遵从泡利不相容原理和费米-狄拉克统计规律;也就是说,即使温度降到绝对零度时,它们也不会静止,而是按一定能级分布直到某一最大能量E0为止.这种状态称为电子的完全简并态。具有这种能量分布的电子“气体”一般称为“费米电子气”. 实际上,上述简并态并不仅在低温下才出现.理论表明,只要电子总数N和其所占的总体积V以及温度T之间存在 的关系,电子就可进入高度简并态〔式中K为玻耳兹曼官数,h为普朗克常数,m…     

在重费米子体系中发现外尔费米子激发

<正>凝聚态物质中的拓扑序和拓扑相变是物理学中的一个重要发现,它突破了基于对称性破缺的经典朗道理论,解释了包括涡旋激发、量子霍尔效应等在内的许多新现象。近年来,人们在凝聚态材料中发现了一系列受对称性保护的拓扑量子物态,例如拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半     

物理所人才工作之路

正2017年6月,中科院物理所青年科学家团队首次观测到"三重简并费米子",引起国际物理学界关注。这是继"拓扑绝缘体"、"量子反常霍尔效应"、"外尔费米子"之后,中科院物理所科研团队在拓扑物态研究领域取得的又一次重要突破,《自然》杂志在线发表了这项重大研究成果。风雨九十载,中科院物理所以浓厚的历史积淀,坚守物理学基础研究和应用基础研究,推动了一项项重大原创性成果的产生。"三重简并费     

手征马约拉纳费米子

手征马约拉纳费米子是具有手性的无质量费米子,是其本身的反粒子,只能存在于1+1维(即1维空间+1维时间)或者9+1维.在凝聚态物理中, 1维手征马约拉纳费米子可看成1/2分数化的狄拉克费米子,并作为二维拓扑态的边缘元激发.奇数个手征马约拉纳费米子边缘态的存在也预示着体系中存在满足非阿贝尔量子统计的伊辛任意子.手征马约拉纳费米子也可进行非阿贝尔编织,理论上可用来实现容错量子计算,因此近年来在凝聚态物理研究中引起了广泛的兴趣.本文从二维拓扑态出发,介绍手征拓扑超导态和量子反常霍尔态之间的深刻联系,并由此得出量子反常霍尔平台转变与超导近邻实现手征马约拉纳费米子的方案,最后以单通道手征马约拉纳费米子为例,探讨其实现电子态的非阿贝尓量子门.     

含奇异材料的掺杂一维光子晶体色散关系和空间局域度理论

给出了描述掺杂的一维光子晶体结构缺陷态的变化规律及其空间局域度特性的理论表达式.该式对由具有任意色散关系材料组成的、中间掺杂、两边对称的一维光子晶体结构均成立.通过研究含奇异材料的光子晶体组态发现，当缺陷层材料为右手材料时，光子带隙中缺陷态的频移方向随缺陷层厚度的增大而红移；当缺陷层材料是左手材料时，频移方向刚好相反，表现为蓝移.该缺陷态的空间局域度只与两边对称结构有关.两边对称结构含奇异材料的光子晶体的缺陷态比传统右手材料的结构具有更强的空间局域度.