磁子霍尔效应

霍尔效应是凝聚态领域中古老却又极具潜力的研究领域,其起源可以追溯到数百年前. 1879年,霍尔发现将载流导体置于磁场中时,磁场带来的洛伦兹力将使得电子在导体的一侧积累,这一新奇的物理现象被命名为霍尔效应.之后,一系列新的霍尔效应被发现,包括反常霍尔效应、量子霍尔效应、自旋霍尔效应、拓扑霍尔效应和平面霍尔效应等.值得注意的是,霍尔效应能够实现不同方向的粒子流之间的相互转化,因此在信息传输过程中扮演着重要的角色.在玻色子体系(如磁子)中,相应的一系列磁子霍尔效应也被发现,他们共同推动了以磁子为基础的自旋电子学的发展.本文回顾了近年来在磁子体系中的霍尔效应,简述其现代半经典的处理方法,包括虚拟电磁场理论和散射理论等.并进一步介绍了磁子霍尔效应的物理起源,概述了不同类型磁子的霍尔效应.最后,对磁子霍尔效应的发展趋势进行了展望.     

声子晶体中的多重拓扑相

研究了圆环型波导依照蜂窝结构排列的声子晶体系统中的拓扑相变.利用晶格结构的点群对称性实现赝自旋,并在圆环中引入旋转气流来打破时间反演对称性.通过紧束缚近似模型计算的解析结果表明,没有引入气流时,调节几何参数,系统存在普通绝缘体和量子自旋霍尔效应绝缘体两个相;引入气流后,可以实现新的时间反演对称性破缺的量子自旋霍尔效应相,而增大气流强度,则可以实现量子反常霍尔效应相.这三个拓扑相可以通过自旋陈数来分类.通过有限元软件模拟了多个系统中边界态的传播,发现不同于量子自旋霍尔效应相,量子反常霍尔相系统的表面只支持一种自旋的边界态,并且它无需时间反演对称性保护.     

声子角动量与手性声子

在经典的物理学理论中,声子广泛地被认为是线极化的、不具有角动量的.最近的理论研究发现,在具有自旋声子相互作用的磁性体系(时间反演对称性破缺)中,声子可以携带非零的角动量,在零温时声子除了具有零点能以外还带有零点角动量;非零的声子角动量将会修正通过爱因斯坦-德哈斯效应测量的回磁比.在非磁性材料中,总的声子角动量为零,但是在空间反演对称性破缺的六角晶格体系中,其倒格子空间的高对称点上声子具有角动量,并具有确定的手性;三重旋转对称操作给予声子量子化的赝角动量,赝角动量的守恒将决定电子谷间散射的选择定则;此外还理论预测了谷声子霍尔效应.     

拓扑声子晶体

拓扑物态是当前凝聚态及材料物理领域的关注焦点.声子晶体是具有周期性结构的人工材料,其中的声子态或声波态也可具有拓扑性质.从声子晶体的背景知识出发,介绍了2类拓扑声子晶体的研究进展,即能谷声子晶体和外尔声子晶体,它们具有良好鲁棒性及超导传输特性的拓扑界/表面波,这种无障碍的传输特性具有广阔的应用前景.     

霍尔效应与汽车上的霍尔器件

在国产桑塔纳、奥迪、红旗、捷达等轿车电路上经常可以看到"霍尔"(Hall)这个名称,如霍尔式电子点火系统中就有一只霍尔传感器,专门给发动机电控单元(ECU)提供电压信号.     

异常霍尔效应和自旋霍尔效应

异常霍尔效应和自旋霍尔效应是在常规霍尔效应的基础上引发出的2种新现象.本文介绍了这2种现象及其原理和潜在的应用.     

磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应

文章从平常霍尔效应出发,介绍了反常霍尔效应及其内秉物理机制,并在此基础上介绍了其量子化版本——量子化反常霍尔效应.然后从拓扑有序态的角度,重点讨论了量子化反常霍尔效应与量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等之间的区别与内在联系.最后介绍了通过在拓扑绝缘体（Bi2Se3, Bi2Te3 和 Sb2Te3）薄膜中掺杂过渡金属元素（Cr 或 Fe）实现量子化反常霍尔效应的方法.     

磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应——无需外磁场的量子化霍尔效应

文章从平常霍尔效应出发,介绍了反常霍尔效应及其内秉物理机制,并在此基础上介绍了其量子化版本——量子化反常霍尔效应.然后从拓扑有序态的角度,重点讨论了量子化反常霍尔效应与量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等之间的区别与内在联系.最后介绍了通过在拓扑绝缘体(Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3)薄膜中掺杂过渡金属元素(Cr或Fe)实现量子化反常霍尔效应的方法.     

霍尔效应的发现

介绍了霍尔的生平,回顾了霍尔在导师罗兰的指导下,发现霍尔效应的历程;分析了罗兰和霍尔在这一研究中发挥的重要作用,以及霍尔在研究工作中的严谨作风和顽强毅力.     

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.     

量子Berry相因子与相位教学

回顾了经典物理和量子力学中的相位问题,着重讨论了量子几何Berry相位及在量子力学中如何进行量子相位教学的问题.     

Many-body braiding phases in a rotating strongly correlated photon gas

We present a theoretical study of fractional quantum Hall physics in a rotating gas of strongly interacting photons in a single cavity with a large optical nonlinearity. Photons are injected into the cavity by a Laguerre–Gauss laser beam with a non-zero orbital angular momentum. The Laughlin-like few-photon eigenstates appear as sharp resonances in the transmission spectra. Using additional localized repulsive potentials, quasi-holes can be created in the photon gas and then braided around in space: an unambiguous signature of the many-body Berry phase under exchange of two quasi-holes is observed as a spectral shift of the corresponding transmission resonance.     

The Fractional Statistics of Generalized Haldane Wave Function in 4D Quantum Hall Effect

Recently, a generalization of Laughlin‘s wave function expressed in Haldane‘s spherical geometry is con-structed in 4D quantum Hall effect. In fact, it is a membrane wave function in CP3 space. In this article, we usenon-Abelian Berry phase to analyze the statistics of this membrane wave function. Our results show that the membranewave function obeys fractional statistics. It is the rare example to realize fractional statistics in higher-dimensional spacethan 2D. And, it will help to make clear the unresolved problems in 4D quantum Hall effect.     

The Fractional Statistics of Generalized Haldane Wave Function in 4D Quantum Hall Effect

Recently, a generalization of Laughlin‘s wave function expressed in Haldane‘s spherical geometry is con-structed in 4D quantum Hall effect. In fact, it is a membrane wave function in CP3 space. In this article, we use non-Abelian Berry phase to anaJyze the statistics of this membrane wave function. Our results show that the membrane wave function obeys fractional statistics. It is the rare example to realize fractional statistics in higher-dimensiona space than 2D. And, it will help to make clear the unresolved problems in 4D quantum Hall effect.     

Spin-Hall effect of collimated electrons in zinc-blende semiconductors

We describe an intrinsic spin-Hall effect (SHE) in n-type bulk zinc-blende semiconductors with a topological origin. When a collimated flux of electrons is injected into a zinc-blende semiconductor with Dresselhaus spin–orbit interaction, a nontrivial gauge structure appears in the momentum space of the electrons. The Berry curvature of this gauge field and the corresponding Lorentz force in -space results in a finite SHE. The value of the spin-Hall current is found to be highly dependent on the degree of electron collimation, which may be varied by means of gate electrodes. Therefore, the system may potentially be useful as an electronically controllable source of pure spin-current for spintronic applications.     

布洛赫电子的拓扑与几何

文章回顾了电子的拓扑几何理论发展的初期,大约二十多年的历史。首先介绍拓扑陈数在凝聚态物理中的两个重要应用。其一关于量子霍尔效应,绝缘条件下霍尔电导可以写成一个陈数拓扑不变量,从而解释实验结果的精确量子化。其二关于绝热泵浦,它描述布洛赫能带的绝热电流响应,与电子极化有密切联系。拓扑陈数是布里渊区上贝里曲率的积分,后者本身也有独立的物理意义。接着介绍贝里曲率对电子动力学的影响,包括反常速度和轨道磁化等概念。作者还将这个理论推广到多带情况,使其可以应用到自旋输运等现象。最后,文中展示了再量子化方法,从半经典模型来获得布洛赫电子的有效量子理论。在非相对论极限下,泡利—薛定谔方程可以看作是狄拉克电子在正能谱上的等效量子理论,其中的自旋轨道耦合即是一种几何物理效应。