二维电介质光子晶体中量子自旋与谷霍尔效应共存的研究

基于量子自旋霍尔或谷霍尔效应的拓扑光子结构具有对缺陷免疫和抑制背向散射的特性,对设计新型低损耗的光子器件起到了关键作用.本文巧妙设计了一种具有时间反演对称性的二维电介质光子晶体,实现了量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的共存.首先基于蜂巢结构排布的硅柱经过收缩扩张,打开了布里渊区Γ点的四重简并点形成拓扑平庸或非平庸的光子带隙,实现量子自旋霍尔效应.经过扩张后的蜂巢晶格演化成为Kagome结构,之后在Kagome晶格中加入正负扰动,打破光子晶体的空间反演对称性,导致布里渊区的非等价谷K和K′的简并点打开并出现完整带隙,实现了量子谷霍尔效应.数值计算结果表明,由拓扑平庸与非平庸、正扰动与负扰动的光子晶体组成的界面上可实现单向传输且对弯曲免疫的拓扑边缘态.最后,设计了基于两种效应共存的四通道系统,此系统为光学编码与稳健信号传输提供潜在方法,为电磁波的操纵提供了更大的灵活性.     

二维介电光子晶体中的赝自旋态与拓扑相变

基于背散射抑制且对缺陷免疫的传输性质,光子拓扑绝缘体为电磁传输调控提供了一种新颖的思路.类比电子体系中的量子自旋霍尔效应,本文设计出一种简单的二维介电光子晶体,以实现自旋依赖的光子拓扑边界态.该光子晶体是正三角环形硅柱子在空气中排列而成的蜂窝结构.将硅柱子绕各自中心旋转60°,可实现二重简并的偶极子态和四极子态之间的能带翻转.这两对二重简并态的平均能流密度围绕原胞中心的手性可充当赝自旋自由度,其点群对称性可用来构建赝时间反演对称.根据k·p微扰理论,给出了布里渊区中心附近的有效哈密顿量以及对应的自旋陈数,由此证实能带翻转的实质是拓扑相变.数值计算结果揭示,在拓扑非平庸和平庸的光子晶体分界面上可实现单向传输且对弯曲、空穴等缺陷免疫的拓扑边界态.本文中的光子晶体只由电介质材料组成并且晶格结构简单,实现拓扑相变时无需改变柱子的填充率或位置,只需转动一个角度.因此,这种结构在拓扑边界态的应用中更为有效.     

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.     

磁光光子晶体中拓扑光子态研究进展

拓扑光子态是具有单向传输特性的新型波导态,展示出抗背向散射、障碍物及缺陷免疫等独特而神奇的物理性质。拓扑光子态因其独特性在拓扑激光器、量子信息、混合集成光路、非线性光学等领域具有广泛的潜在应用。磁光光子晶体为实现拓扑光子态、探索拓扑光子态新物性提供了重要平台。本文聚焦磁光光子晶体中拓扑光子态的研究进展,首先回顾有序、无序晶格中的拓扑光子态,揭示拓扑光子态的微观物理图像。接着讨论时间和空间反演对称性双破缺体系中的拓扑光子态,简述反手性拓扑光子态的产生。然后介绍宽带拓扑光子态及拓扑慢光态研究,展示新颖的拓扑光学现象及器件设计。最后针对磁光光子晶体中拓扑光子态研究面临的关键问题、未来发展趋势进行分析和展望。     

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.     

二维拓扑绝缘体退相干效应研究

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点.退相干效应对该体系的影响的研究不仅有重要的理论意义,而且也是实现未来量子器件的不可或缺的前期工作.文章作者从理论上研究了退相干对二维拓扑绝缘体特别是量子自旋霍尔效应的影响.研究结果表明,作为量子自旋霍尔效应的标志的量子化纵向电阻平台对不破坏自旋记忆的退相干效应(普通退相干)不敏感,但却对破坏自旋记忆的退相干效应(自旋退相干)非常敏感.因此,该量子化平台只能在尺寸小于自旋退相干长度的介观样品中存在,从而解释了量子自旋霍尔效应实验中所观测到的结果(见Science,2007,318:766).同时,文章作者还定义了一个新的物理量,即自旋霍尔电阻,并发现该自旋霍尔电阻也有量子化平台.特别是该量子化平台对两种类型的退相干都不敏感.这说明在宏观样品中也能观测到自旋霍尔电阻的量子化平台,因此更能全面地反映量子自旋霍尔效应的拓扑特性.     

二维材料中贝里曲率诱导的磁性响应

二维材料中由贝里曲率诱导的新型磁学响应是近年来的新兴领域.这些二维材料所表现出的磁学特性及量子输运与贝里曲率直接相关,而贝里曲率又与晶体的对称性、电子的轨道磁性、自旋轨道耦合以及磁电效应等息息相关.研究这些新型磁性响应一方面有益于研究不同量子效应间的耦合作用,另一方面可探索量子效应在电子与信息器件领域的应用.本文介绍了近几年来二维材料中新型磁响应的实验研究进展,特别介绍了二硫化钼和石墨烯等材料中的谷霍尔和磁电效应、低对称性的二碲化钨等材料中的量子非线性霍尔以及转角石墨烯中的反常霍尔和量子反常霍尔效应.本文结合二维材料的晶体结构以及电子结构,介绍了这些新奇现象的现有物理解释、回顾了相关研究的最新发展、讨论了其中尚未理解的现象,并作出展望.     

单层二维量子自旋霍尔绝缘体1T'-WTe2研究进展

量子自旋霍尔效应通常存在于二维拓扑绝缘体中,其具有受拓扑保护的无耗散螺旋边界态. 2014年,理论预言单层1T’相过渡金属硫族化合物是一类新型的二维量子自旋霍尔绝缘体.其中,以单层1T’-WTe₂为代表的材料体系具有原子结构稳定、体带隙显著、拓扑性质易于调控等许多独特的优势,对低功耗自旋电子器件的发展具有重要的意义.本文总结了单层1T’-WTe₂在实验上的最新进展,包括基于分子束外延生长的材料制备,螺旋边界态的探测及其对磁场的响应,掺杂、应力等手段在单层1T’-WTe₂中诱导出的新奇量子物态等.也对单层1T’-WTe₂未来可能的应用前景进行了展望.     

Rashba自旋轨道耦合下square-octagon晶格的拓扑相变

本文研究了各向同性square-octagon晶格在内禀自旋轨道耦合、Rashba自旋轨道耦合和交换场作用下的拓扑相变,同时引入陈数和自旋陈数对系统进行拓扑分类.系统在自旋轨道耦合和交换场的影响下会出现许多拓扑非平庸态,包括时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态和量子反常霍尔态.特别的是,在时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应中,无能隙螺旋边缘态依然能够完好存在.调节交换场或者填充因子的大小会导致系统发生从时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态到自旋过滤的量子反常霍尔态的拓扑相变.边缘态能谱和自旋谱的性质与陈数和自旋陈数的拓扑刻画完全一致.这些研究成果为自旋量子操控提供了一个有趣的途径.     

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.     

一维扩展量子罗盘模型的拓扑序和量子相变

应用矩阵乘积态表示的无限虚时间演化块算法,研究了扩展的量子罗盘模型.为了深入研究该模型的长程拓扑序和量子相变,基于奇数键和偶数键,引入了奇数弦关联和偶数弦关联,计算了保真度、奇数弦关联、偶数弦关联、奇数弦关联饱和性与序参量.弦关联表现出三种截然不同的行为:衰减为零、单调饱和与振荡饱和.基于弦关联的以上特征,给出了量子罗盘模型的基态序参量相图.在临界区,局域磁化强度和单调奇弦序参量的临界指数β=1/8表明:相变的普适类是Ising类型.此外,保真度探测到的相变点、连续性与非连续性和序参量的结果一致.     

Topological phase transition in anisotropic square-octagon lattice with spin–orbit coupling and exchange field

We investigate the topological phase transitions in an anisotropic square-octagon lattice in the presence of spin–orbit coupling and exchange field. On the basis of the Chern number and spin Chern number, we find a number of topologically distinct phases with tuning the exchange field, including time-reversal-symmetry-broken quantum spin Hall phases, quantum anomalous Hall phases and a topologically trivial phase. Particularly, we observe a coexistent state of both the quantum spin Hall effect and quantum anomalous Hall effect. Besides, by adjusting the exchange filed, we find the phase transition from time-reversal-symmetry-broken quantum spin Hall phase to spin-imbalanced and spin-polarized quantum anomalous Hall phases, providing an opportunity for quantum spin manipulation. The bulk band gap closes when topological phase transitions occur between different topological phases. Furthermore, the energy and spin spectra of the edge states corresponding to different topological phases are consistent with the topological characterization based on the Chern and spin Chern numbers.     

具有全局对称性的强关联拓扑物态的规范场论

在有对称性保护的条件下,拓扑能带绝缘体等自由费米子体系的拓扑不变量可以在能带结构计算中得到.但是,为了得到强关联拓扑物质态的拓扑不变量,我们需要全新的理论思路.最典型的例子就是分数量子霍尔效应:其低能有效物理一般可以用Chern-Simons拓扑规范场论来计算得到;霍尔电导的量子化平台蕴含着十分丰富的强关联物理.本文将讨论存在于玻色和自旋模型中的三大类强关联拓扑物质态:本征拓扑序、对称保护拓扑态和对称富化拓扑态.第一类无需考虑对称性,后两者需要考虑对称性.理论上,规范场论是一种非常有效的研究方法.本文将简要回顾用规范场论来研究强关联拓扑物质态的一些研究进展.具体内容集中在"投影构造理论"、"低能有效理论"、"拓扑响应理论"三个方面.     

Topological phases and phase transitions on the honeycomb lattice

We investigate possible phase transitions among the different topological insulators in a honeycomb lattice under the combined influence of spin-orbit couplings and staggered magnetic flux. We observe a series of topological phase transitions when tuning the flux amplitude, and find topologically nontrivial phases with high Chern number or spin-Chern number. Through tuning the exchange field, we also find a new quantum state which exhibits the electronic properties of both the quantum spin Hall state and quantum anomalous Hall state. The topological characterization based on the Chern number and the spin-Chern number are in good agreement with the edge-state picture of various topological phases.     

Kitaev模型与拓扑量子相变

文章通过在一种准一维路径上引入自旋算符的约当-维格纳（Jordan—Wigner）变换，证明了Kitaev自旋模型完全等价于一个不含任何非物理自由度的自由Majorana费米子模型。通过对偶变换，进一步证明了这个系统中存在的量子相变可用非定域的拓扑序参量来描述；并且，这些非定域的拓扑序参量在对偶空间变成为定域的朗道类型的序参量。文章作者的工作揭示了传统的量子相变和拓扑量子相变的内在关系，扩展了朗道二级相变理论的适用范围。     

Fractional quantum Hall effect of hard-core bosons in topological flat bands

Recent proposals of topological flat band models have provided a new route to realize the fractional quantum Hall effect without Landau levels. We study hard-core bosons with short-range interactions in two representative topological flat band models, one of which is the well-known Haldane model (but with different parameters). We demonstrate that fractional quantum Hall states emerge with signatures of an even number of quasidegenerate ground states on a torus and a robust spectrum gap separating these states from the higher energy spectrum. We also establish quantum phase diagrams for the filling factor 1/2 and illustrate quantum phase transitions to other competing symmetry-breaking phases.