凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变——2016年诺贝尔物理学奖解读

凝聚态物理中拓扑相变和拓扑物态的发现,获得了2016年度诺贝尔物理学奖。文章系统介绍了凝聚态物理中拓扑性的起源,并简要介绍了目前凝聚态物理中发现的主要几类拓扑态：拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、拓扑晶体绝缘体和拓扑半金属。     

单轴压力下Ge2X2Te5(X=Sb,Bi)薄膜拓扑相变的第一性原理研究

随着拓扑绝缘体的发现, 材料拓扑物性的研究成为凝聚态物理研究的热点领域. 本文基于第一性原理计算, 研究了化合物Ge₂X₂Te₅ (X=Sb, Bi) 的块体结构和二维单层和双层薄膜结构的拓扑物性, 以及单双层薄膜在垂直方向单轴压力下的拓扑量子相变. 研究发现, A型原子序列排列的这两种化合物都是拓扑绝缘体, 其单层薄膜都是普通金属, 而双层薄膜都是拓扑金属, 单层和双层薄膜在单轴加压过程中都没有发生拓扑量子相变; 这两种化合物的B型原子序列的晶体是普通绝缘体, 其所对应的薄膜, Ge₂Sb₂Te₅单层是普通金属, 双层薄膜和Ge₂Bi₂Te₅的单层和双层薄膜均为普通绝缘体, 但是在单轴加压过程中B 型原子序列所对应的单层和双层薄膜都转变为拓扑金属.     

Eu2－xPbxRu2O7中的金属-绝缘体相变和自旋玻璃态行为

通过对Eu_2-xPb_xRu₂O₇(x=0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0和1.8)系列样品的结构、电阻和磁化率的观测，结果发现，随着Pb替代浓度x值的增加，样品的电阻率逐渐减小，系统在x=0.8附近发生了金属-绝缘体(M-I)相变；Ru⁴⁺的局域磁矩及其自旋玻璃冻结温度T_G也随之降低. 在该体系中，Pb²⁺对Eu³⁺的部分替代使样品中载流子浓度增加，Pb的6p能带与Ru 4d电子的T_2g能带混合，能带得以拓宽，Ru 4d电子的巡游性增强，导致该体系物性的系列变化. 关键词： 自旋几何受挫 2-xPb_xRu₂O₇体系')" href="#">Eu_2-xPb_xRu₂O₇体系 金属-绝缘体相变 自旋玻璃态     

拓扑绝缘体(Bi0.5Sb0.5)2Te3薄膜中的线性磁阻

本文报道了拓扑绝缘体(Bi_0.5Sb_0.5)₂Te₃薄膜中线性磁阻问题的系统性研究工作. 此体系中, 线性磁阻在很宽的温度和磁场范围内出现: 磁场高达18 T时磁阻仍没有饱和趋势, 并且当温度不高于50 K时, 线性磁阻的大小对温度的变化不敏感. 栅压调控化学势可明显改变线性磁阻的大小. 当化学势接近狄拉克点时, 线性磁阻最为显著. 这些结果说明电荷分布的不均匀性是引起该材料线性磁阻的根源.     

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.     

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.     

反铁磁拓扑绝缘体与轴子绝缘体——MnBi2Te4系列磁性体系的研究进展

拓扑物质态是21世纪以来凝聚态物理领域最重要的前沿课题之一。它不仅深化了人们对宏观量子物质态的认识,同时也具有极大的潜在应用价值。目前,非磁性拓扑物质态的研究已经较为完善,而磁性拓扑物质态的研究仍处于初始阶段。近两年来,以MnBi₂Te₄系列体系为代表的本征磁性拓扑绝缘体的出现,迅速掀起了磁性拓扑绝缘体的研究热潮。文章从拓扑物质态的基本理论出发,介绍了近期反铁磁拓扑绝缘体方面的一些重要研究进展,着重阐述了MnBi₂Te₄系列的反铁磁拓扑绝缘体、静态轴子绝缘体以及动态轴子绝缘体,并对磁性拓扑绝缘体的下一步研究进行了展望。

     

基于复合蜂窝结构的宽带周期与非周期声拓扑绝缘体

具有良好可重构性、良好缺陷兼容性及紧凑型的声学拓扑结构可能成为声学发展中一个有前景的方向.本文设计了一种可调谐、应用于空气声的二维宽带复合蜂窝形晶格结构,其元胞拥有两个变量:一个是中心圆的缩放参数s,另一个是"花瓣"图案围绕其质心的旋转角度q.研究发现当s为1.2, q为±33°时,在结构的布里渊区中心点出现四重简并态.在±33°两侧,能带会发生反转,体系经历拓扑相变;同时,结构的相对带隙宽带逐渐增加,其中q为0°和60°时,相对带宽分别为0.39和0.33.本研究还计算了由这两种转角的声子晶体组成的拼合结构的投影能带,发现在其体带隙中存在着边界态并验证了此拓扑边界的缺陷免疫特性.最后通过变化s,构建了一种非周期性双狄拉克锥型的声拓扑绝缘体并验证了其缺陷免疫性.本研究的体系相对带宽显著超过已知体系,将为利用声拓扑边界的声波器件微型化打下良好的基础.     

拓扑近藤半金属

拓扑物态是凝聚态物理近年来最重要的研究领域之一。随着研究的不断深入,对拓扑物态的研究逐渐从弱关联材料体系拓展到了强关联材料体系。文章梳理了近年来对拓扑近藤半金属的相关研究,介绍了其中的理论模型、计算方法和一些候选材料及实验研究,并对该方向未来的发展做了展望。     

量子材料GaTa4Se8的基态研究

量子材料GaTa₄Se₈(GTS)不仅展现出绝缘体到金属相变、J_eff量子态以及拓扑超导等多种有趣的物理性质,而且还是电阻开关和存储介质材料,一直以来备受关注。当前科学家们对其绝缘基态的结构仍存在争议,基态结构的不确定阻碍了对其各种物理性质的深入理解。GaTa₄Se₈的绝缘基态长期被认为具有立方对称结构(空间群F43m),其电子能隙是由自旋轨道耦合效应和电子关联共同作用形成的Mott型能隙。最近第一性原理计算表明,立方结构的声子谱存在虚频而不稳定,并预测立方对称存在结构畸变会形成更稳定的三方结构(R3m)或四方结构(F43₁m)。为此,本研究通过压力调节该材料的电子能隙,结合Raman光谱、X射线衍射、电阻测量等多种实验表征手段,对比实验得到的数据与第一性原理计算结果,进一步探索GaTa₄Se₈的基态结构。研究表明三方对称结构(R3m)更符合实验观察结果。     

拓扑量子材料简介

近20年来,拓扑量子物态和材料已成为凝聚态物理领域最为重要、发展最快的前沿领域之一。文章简单回顾这一领域的研究进展,介绍包括拓扑材料体系、磁性拓扑材料、拓扑超导体及相关物理。这些材料涉及的研究范畴广泛,未来可能推动电子学、自旋电子学、光学等各个方向的基础研究和产业发展。     

Ca2P2O7温致相变的拉曼光谱研究

本文采用高温原位拉曼光谱研究了冷却方式对焦磷酸钙相变及其晶型制备的影响, 并结合第一性原理计算, 解析了α与β焦磷酸钙晶体的拉曼振动归属。研究表明, 从相变点之上快冷至室温可得到α焦磷酸钙; 当焦磷酸钙在1373 K保温时发生相变, 并进一步缓冷得到β焦磷酸钙; 而当在1373 K保温快冷可得到α与β的混合相, 混合相中各组分含量由相变点保温时间和冷却速率有关。高温原位拉曼光谱能原位观察无机材料制备过程中相的变化。     

室温下Pr0.7Ca0.3MnO3薄膜的瞬态光响应特性

在室温下利用波长532nm，脉冲宽度7ns的纳秒脉冲激光研究了不同电压和激光能量密度作用下Pr_0.7Ca_0.3MnO₃薄膜的瞬态光响应特性.在激光能量密度为275.16mJ/cm²时，其最大电阻变化率达到92.3%，响应时间约36ns.室温下电压变化对薄膜的光响应特性影响不大，而诱导光能量密度的影响则很明显，能量密度越大，电阻变化越大，响应时间越短，并且电阻变化和响应时间均与激光能量密度呈非线性关系.这种光响应来源于薄膜中的光致非稳态绝缘体-金属相变，有望在新型光电器件上获得应用.     

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。     

二维声学系统中的拓扑相变及边界传输

拓扑声学的发现产生了一种可以有效抑制反射的声学边界传输态,不仅让人们重新认识了声传输现象,也扩展了声学新原理功能器件的研究领域。文章将介绍二维系统中拓扑声学的基本概念以及一些拓扑非平庸体系。主要关注利用背景流体构造的声类量子霍尔效应,利用共振耦合环形波导构造Floquet拓扑绝缘体,声类量子自旋霍尔效应以及声谷霍尔效应等。     

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.     

基于HfO2插层的Ga2O3基金属-绝缘体-半导体结构日盲紫外光电探测器

作为一种新兴的超宽带隙半导体, Ga₂O₃在开发高性能的日盲紫外光电探测器方面具有独特的优势.金属-半导体-金属结构因其制备方法简单、集光面积大等优点在Ga₂O₃日盲紫外光电探测器中得到了广泛的应用.本文在传统的金属-半导体-金属结构Ga₂O₃日盲紫外光电探测器的基础上,利用原子层沉积技术引入高介电性和绝缘性的氧化铪(HfO₂)作为绝缘层和钝化层,制备出带有HfO₂插层的金属-绝缘体-半导体结构的Ga₂O₃日盲紫外光电探测器,显著降低了暗电流,提升了光暗电流比,同时提高了器件的比探测率和响应速度,为未来Ga₂O₃在高性能弱光探测器件制备提供了一种新通用策略.     

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.     

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...     

铁磁绝缘体间的极薄Bi2Se3薄膜的相变研究

研究一个极薄三维拓扑绝缘体Bi₂Se₃薄膜处于两个铁磁绝缘体层之间, 其铁磁层的磁化方向都处于竖直平面, 系统拓扑性质随磁化方向夹角的变化. 从表面态电子低能有效哈密顿量出发计算系统的Chern 数, 和运用一个具有Armchair边界的单层六角晶格带的紧束缚模型模拟系统的体能带和边缘态, 来确定系统所处的拓扑相. 发现两个铁磁层的磁化方式从平行转到反平行的某一临界角度, 系统经历从反常量子霍尔相到普通绝缘相的转变.