缀饰格子中时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应

<正>研究了缀饰格子中的量子自旋霍尔效应,模型中同时考虑了Rashba自旋轨道耦合和交换场的作用.缀饰格子具有简立方对称性,以零能平带和单狄拉克锥结构为主要特点.在缀饰格子中,不论是实现量子自旋霍尔效应还是量子反常霍尔效应,都需要一个不为零的内禀自旋轨道耦合作用来打开一个完全的体能隙,这与石墨烯等六角格子模型有着很大的不同.在交换场破坏了时间反演对称性的情况下,以自旋陈数为标志的量子自旋霍尔效应仍然能够存在,边缘态和极化率的相关结果也证明了这一结论.结果表明自旋陈数比z2拓扑数在表征量子自旋霍尔效应方面有着更广泛的适用范围,相应的结论为利用磁场控制量子自旋霍尔效应提出了一个理论模型和依据.     

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.     

铁磁石墨烯体系的CT不变量子自旋霍尔效应

文章作者在垂直磁场作用下的铁磁石墨烯体系里预言了一种新类型的量子自旋霍尔效应.这量子自旋霍尔效应与自旋轨道耦合无关,体系也不具有时间反演不变性;但是有CT不变(C为电子-空穴变换、T为时间反演变换).由于量子自旋霍尔效应,体系的纵向电阻和自旋霍尔阻出现量子化平台.特别是,自旋霍尔阻的量子化平台有很强的抗杂质干扰能力.     

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.     

边界对石墨烯量子点非线性光学性质的影响

石墨烯作为一种新型非线性光学材料,在光子学领域具有重要的应用前景,引起研究人员的极大兴趣.本文运用量子化学计算方法研究了边界引入碳碳双键(C=C)和掺杂环硼氮烷(B₃N₃)环对石墨烯量子点非线性光学性质和紫外-可见吸收光谱的影响.研究发现,扶手椅边界上引入C=C双键后,六角形石墨烯量子点分子结构对称性降低,电荷分布对称性发生破缺,导致分子二阶非线性光学活性增强.石墨烯量子点在从扶手椅型边界向锯齿型边界过渡的过程中,随着边界C=C双键数目的增加,六角形石墨烯量子点和B3N3掺杂六角形石墨烯量子点的极化率和第二超极化率分别呈线性增加.此外,边界对石墨烯量子点的吸收光谱也有重要影响.无论是石墨烯量子点还是B₃N₃掺杂石墨烯量子点,扶手椅型边界上引入C=C双键导致最高占据分子轨道能级升高,最低未占分子轨道能级的降低,前线分子轨道能级差减小,因而最大吸收波长发生了红移.中心掺杂B₃N₃环后会增大石墨烯量子点的分子前线轨道能级差,导致B3N3掺杂后的石墨烯量子点紫外-可见吸收光谱发生蓝移.本文研究为边界修饰调控石墨烯量子点非线性光学响应提供了一定的理论指导.     

弯曲时空中转动对自旋流的影响

自旋轨道相互作用和自旋霍尔效应一直受到广泛关注,不仅在理论上进行了预测,而且也在实验中实现了自旋电流的产生.本文研究弯曲时空中转动对自旋流和自旋霍尔电导率的影响.非平庸几何可以改变自旋和轨道之间的相互作用,利用推广的Drude模型,计算了自旋依赖的作用力,并得到了非平庸几何对该力的修正.当计入转动效应时,给出了一般性的Dirac方程,并利用Foldy-Wouthuysen变换得到了非相对论近似下的哈密顿量.在此基础上,计算了自旋流和自旋霍尔电导率.在弯曲时空中由于转动的效应而导致偏振矢量的变形,自旋流的大小和方向都会因为转动而发生改变,因而自旋霍尔电导率也会随之得到修正.时空几何的非平庸性导致了自旋流有各向异性的特点.研究结论可以用于分析量子霍尔系统中带电旋量粒子的电磁动力学问题,也可以对晶体中的缺陷问题提供重要的理论帮助.对于光子系统来说,研究结果对于研究光子自旋霍尔效应在静态引力场中的行为具有一定的参考价值,对于实验上利用光子自旋霍尔效应来实现弯曲时空提供一定的理论支持.     

二维拓扑材料的新进展——纯平锡烯中存在大的拓扑能隙

<正>近年来,得益于拓扑物理理论和二维材料制备的迅速发展,以量子自旋霍尔绝缘体为代表的二维拓扑材料的研究受到热切关注~([1, 2])。早在2005年前后,理论表明在二维材料体系如石墨烯~([3])和HgTe量子阱体系~([4])中由于自旋轨道耦合作用而存在拓扑量子自旋霍尔效应。然而石墨烯中的碳是轻元素,自旋轨道作用非常微弱,所以其拓扑     

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.     

HgCdTe反型层的磁输运性质

利用成本低廉的液相外延技术, 成功制备了具有金属-绝缘体-半导体结构的HgCdTe场效应管器件. 在该器件中, 观察到清晰的Shubnikov-de Hass振荡和量子霍尔平台, 证明样品具有较高的质量. 测量零场附近的磁阻曲线, 在HgCdTe-基器件中观察到反弱局域效应, 表明样品中存在较强的自旋-轨道耦合作用. 利用Iordanskii-Lyanda-Pikus理论, 很好地拟合了反弱局域曲线. 由拟合得到的自旋分裂能随电子浓度的增大而增大, 最大达到9.06 meV. 根据自旋分裂能得到的自旋-轨道耦合系数同样随电子浓度的增大而增大, 与沟道较宽的量子阱中所得到的结果相反.     

负带隙HgCdTe体材料的磁输运特性研究

通过单晶生长了Cd组分为0.1的p型HgCdTe体材料,并制备了具有倒置型能带序的HgCdTe场效应器件.通过磁输运测试,在负带隙HgCdTe体材料中观察到明显的量子霍尔平台效应和Shubnikov-de Haas(SdH)振荡效应,证明样品具有较好的质量.利用SdH振荡对1/B关系的快速傅里叶变换,得到了样品的零场自旋分裂能约为26.55 meV,证明样品中存在强自旋-轨道耦合作用.进一步分析SdH中的拍频节点估算了样品中的有效g因子约为–11.54.     

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.     

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.     

光子石墨烯中赝磁场作用下的谷霍尔效应

将石墨烯中赝磁场的产生机理运用于光子石墨烯,通过在光子石墨烯中引入晶格有规律单轴形变的方式,理论分析得到了谷依赖的均匀赝磁场,并通过数值模拟的方法观察到明显的谷霍尔效应.这种谷霍尔效应的显著程度随晶格形变度的增加而加强.在具有一定损耗的电介质材料构成的形变光子石墨烯中仍可观察到明显的谷霍尔效应.随着电介质材料损耗的增加,谷霍尔效应导致的波束转弯效果依然能够保持,只是强度逐渐变弱.类似于自旋电子学中的自旋霍尔效应,这种光子石墨烯中等效赝磁场作用下的谷霍尔效应在未来谷极化器件的设计和应用中具有重要意义.     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效：即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe／CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效:即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov-Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe/CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

光自旋霍尔效应的研究性实验教学

光自旋霍尔效应是由于光子的自旋-轨道相互作用导致自旋相反的光子相互分离的光学效应,极大地丰富了光学研究内涵,成为现代光学的研究前沿和热点.由于光自旋霍尔效应实验与由偏振片、望远镜、显微镜等器件组装的实验相通,因此可以把光自旋霍尔效应的研究成果进行整理,设计制作出适合于本科实验教学的仪器.本文对光自旋霍尔效应的研究进展进行了综述,并介绍了利用所开发的光自旋霍尔效应实验仪可开展的实验类型和进行研究性教学的情况.     

光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射 面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比：自旋光 子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互 作用,和两类几何相位有关：一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry 相位;另 一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry 相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感, 结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析 光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍 光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成 像等领域的可能发展方向。     

自旋轨道耦合系统中的自旋流与自旋霍尔效应

作为自旋电子学的重要研究内容,如何在固态系统中产生、操控以及探测自旋流引起了研究人员的广泛兴趣.基于自旋轨道耦合的自旋霍尔效应为在非磁性半导体中产生自旋流提供了一种有效途径.然而,在具有自旋轨道耦合的系统中,自旋流并不守恒.如何理解这点并恰当地表述相应的连续性方程,成为自旋输运研究的基本问题之一.本文主要综述自旋轨道耦合系统中自旋流与自旋霍尔效应方面的研究进展.引入SU(2)规范势后,自旋流满足协变形式的连续性方程,该方程保证了SU(2)Kubo公式在不同规范固定下的自洽性.利用SU(2)场强张量,可以直接得到自旋密度和自旋流在SU(2)外场中受到的白旋力,该力在只有U(1)磁场时对应于Stern-Gerlach力.由于依赖杂质散射的外在自旋霍尔效应很难被利用,内在自旋霍尔效应的概念被提出:在非磁半导体中,U(1)电场会诱导出自旋流并导致系统边缘处的自旋积累.自旋霍尔效应已经在半导体和金属材料中被观察到.虽然在干净的二维电子气中自旋霍尔电导率是一普适常数e/8π,但杂质对它的影响却引起了人们的高度关注.通过引入退相干效应,自旋霍尔效应中杂质效应的一些令人困惑的理论结果,则得到清晰的解释.此外,本文还将介绍具有层间隧穿的双层二维电子气中的自旋输运现象.在能量简并点附近,自旋霍尔电导率和隧穿白旋电导率均会出现共振现象.当两层间的杂质势强度存在差异时,隧穿自旋电导率随门压的变化曲线呈现出非对称性,显示出自旋二极管效应.     

磁光克尔效应中的光子自旋分裂

光子自旋霍尔效应类似于电子系统中的电子自旋霍尔效应, 是在折射率梯度和光子分别扮演的外场和自旋电子的角色下, 由自旋-轨道相互作用而产生的光子自旋分裂现象. 光子自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径, 同时也提供了一种精确测量相关物理效应的方法. 本文研究了磁光克尔效应中光子自旋分裂现象, 建立了磁光克尔旋转与光子自旋霍尔效应之间的定量关系, 并通过弱测量系统观测了磁场作用下铁膜表面的光子自旋分裂位移, 得到相应的磁光旋转角, 验证了我们所推导的理论预测. 本文的研究成果为精确测量磁光克尔系数和磁光克尔旋转角提供了一种新方法.     

InAIAs／InGaAs／IIAlAs量子阱高迁移率二维电子气系统中的反弱局域效应研究

研究了si重δ掺杂In0．52Al0.48/In0.53Ga0.47As／In0.52Al0.48As单量子阱内高迁移率二维电子气系统中的反弱局域效应．研究表明，强的Rashba自旋轨道相互作用来源于量子阱高的结构反演不对称．高迁移率系统中，粒子的运动基于弹道输运而非扩散输运．因此，旧的理论模型不能用于拟合实验结果．由于最新的模型在实际拟合中过于复杂，一种简单可行的近似用于处理实验结果，并获得了自旋分裂能△。和自旋轨道耦合常数a两个重要的物理参数．该结果与对纵向电阻的Shubnikov-de Haas--SdH振荡分析获得的结果一致．高迁移率系统中的反弱局域效应研究表明，发展有效的反弱局域理论模型，对于利用Rashba自旋轨道相互作用来设计自旋器件尤为重要.