拓扑狄拉克半金属

<正>拓扑狄拉克半金属是一种全新的奇特拓扑量子材料。这种材料的体电子形成了三维的狄拉克锥结构,所以可以看作是"三维的石墨烯"。另外,由于这种材料的电子结构具有非平庸的拓扑性质,它也有和拓扑绝缘体类似的表面态。这些独特的电子结构在最近的高分辨光电子谱实验中得到了证实。封面图中是Na3Bi,第一个被实验证实的三维拓扑狄拉克半金属的能带结构:内部的线     

狄拉克半金属中的量子输运——手性反常效应与阿哈罗诺夫—玻姆效应

正近年来,物理学家发现了一类非常奇特的拓扑材料(如Cd3As2,Na3Bi等),它们的电子能带结构在动量空间的三维方向都具有线性色散关系,因此被称为三维狄拉克半金属,或者"三维石墨烯"材料~([1—6])。因其特殊的能带结构,以及在量子计算方面的可能应用,此类材料迅速成为凝聚态物理领域的研究热点之一。包括我国科学家在内的多个研究组在狄拉克半金属领域做出了突破性贡献~([1—13])。中国科学院物理     

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     

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...     

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.     

反铁磁半金属EuCd_2Pn_2(Pn=As,Sb)中磁交换诱导的外尔态（英文）

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EuCd_2Pn_2(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MnBi_2Te_4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。     

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。     

层状手性拓扑磁材料Cr_(1/3)NbS_2的磁学特性

伴随着拓扑材料的出现,拓扑物理学成为了当代凝聚态物理的前沿与热点之一.拓扑特性是描述材料的物理量在连续变换下会保持不变的性质(如陈数Chern number),种类包括拓扑绝缘体、外尔和狄拉克等拓扑半金属、拓扑磁材料等.一维手性磁孤子(chiral magnetic solitons),类似于磁性斯格明子(skyrmions),是一类具有拓扑性和准粒子性的磁结构,具有丰富的物理特性和潜在应用价值.本文详细总结了一种具有一维手性磁孤子结构的晶体Cr_(1/3)NbS_2,包括其晶体构型、磁相互作用、磁结构、维度调控以及相变物理等物理特性.希望本综述能为研究拓扑磁材料的科研人员提供详实的参考,为将拓扑和手性磁性引入到二维层状材料家族提供研究思路,促进拓扑磁电子学的发展,为相关器件提供更多的材料选择和理论基础.     

XAuBi (X=Eu, Ba)拓扑nodal chain半金属的第一性原理研究

由于在磁性材料体系中缺失时间反演对称性,导致nodal chain被破坏,所以nodal chain通常存在于非磁材料中。但是,磁性材料EuAuBi是与常规磁性材料不同。本工作以第一性原理计算为研究方法,预言了在不考虑自旋轨道相互作用时,磁性材料EuAuBi体系为新型拓扑nodal chain半金属;当考虑自旋轨道耦合时,EuAuBi会退化为外尔半金属。对于非磁材料BaAuBi来说,在不考虑自旋轨道相互作用时,它同样是一种拓扑nodal chain半金属;当考虑自旋轨道相互作用时,由于C3旋转对称性的存在,BaAuBi会退化为狄拉克半金属。在XAuBi (X=Eu, Ba)中发现nodal chain半金属,会促进对六角材料的拓扑性质研究以及开拓其新实际应用领域。     

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.     

石墨烯掺杂研究达到新水平

石墨烯以其独特的电子特性而闻名,例如狄拉克点,在材料能带结构中的这个点,电子行为类似于高能粒子.一个载荷电子通过狄拉克样式的石墨烯,就会像一个粒子,几乎不与它的许多同类相互作用.现在,Philipp Rosenzweig和他来自德国马克斯·普朗克固体研究所的同事们,在石墨烯中添加了过量的电荷载流子,将载流子的能量从上述...     

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。     

拓扑半金属材料的单晶生长研究进展

拓扑半金属已经成为凝聚态物理研究的一个热点领域,这类材料的单晶生长是研究其物理性质的基础.目前,对于拓扑材料的研究已经形成了以理论计算为指引,对潜在的拓扑材料进行单晶制备,并结合物性测量对理论预言加以验证的科研合作方式.在这种科研团队合作中,单晶生长起衔接作用.本文介绍了近年来拓扑半金属材料单晶生长方法,涵盖了拓扑Dirac半金属、Weyl半金属、Node-Line半金属以及其他打破常规分类的拓扑绝缘体及拓扑半金属材料等,并针对各个材料,详细总结了其生长方法.     

石墨烯带隙的调控及其研究进展

石墨烯是一种单原子层的二维材料,因其独特的晶格结构而具备十分优越的性能,引起了 科学家的广泛关注。但因其价带与导带相交于狄拉克点,导致石墨烯为没有带隙的半金属,限 制了其在纳电子学器件中的应用。为了打开石墨烯的带隙,研究者们付出了巨大的努力。在石 墨烯中引入带隙的方法包括量子限制法、掺杂法和对称性破缺法,它们分别是将电子限制在一维 的石墨烯纳米带中、对石墨烯进行n-型或p-型掺杂以及在双层石墨烯的垂直方向施加外加电场 使双层石墨烯的对称性破缺。本文着重介绍石墨烯纳米带的合成法、石墨烯掺杂的种类和打破 双层石墨烯对称性的方法。     

应变调控下Tl2Ta2O7中的拓扑相变

拓扑电子材料因为具有非平庸的拓扑态,所以会展现出许多奇异的物理性质.本文通过第一性原理计算对应变调控下的烧绿石三元氧化物Tl₂Ta₂O₇中的拓扑相变进行了研究.首先分析了原子轨道投影能带,发现体系费米能级附近O原子的(px+py)与pz轨道发生了能带反转,再构造了紧束缚模型计算得到体系的Z₂拓扑不变量确定了其拓扑非平庸性,最后研究了表面态等拓扑性质.研究发现未施加应变的Tl₂Ta₂O₇是一个在费米能级处具有二次能带交叉点的半金属,而平面内应变会破缺晶体对称性进而使体系发生拓扑相变.当对体系施加–1%的压缩应变时,它会转变为狄拉克半金属;当对体系施加1%的拉伸应变时,体系相变为拓扑绝缘体.本研究对于在三维材料中调控拓扑相变有着较重要的指导意义,并且为低能耗电子器件的设计提供了良好的材料平台.     

拓扑半金属及磁性拓扑材料的单晶生长

拓扑材料因具有新奇物理特性受到广泛关注,这些材料一方面为基础物理研究提供了新的平台,另一方面在以拓扑物理为基础发展的器件研究方向上展现出潜在应用价值.凝聚态领域对于拓扑材料相关物理问题的研究主要通过两种方式开展:一是在已知的拓扑材料中不断挖掘新的实验现象和物理问题;二是不断预言和探索发现新型拓扑材料体系并开展合成.无论哪种方式,高质量单晶的获得都至关重要,它为角分辨光电子能谱、扫描隧道显微谱和磁场下的量子振荡等实验研究提供了前提保障.本文总结了拓扑材料的分类和发展,基于本研究组近些年开展的工作介绍了助溶剂法、气相输运法这两种拓扑材料单晶生长中常用的方法,并详细介绍了拓扑物性研究领域几类典型的拓扑材料及其生长方法,如拓扑绝缘体/拓扑半金属、高陈数手性拓扑半金属和磁性拓扑材料等.     

自旋轨道耦合视角下的二维狄拉克材料

石墨烯的发现引发了科学界探索新奇二维狄拉克材料的热潮。这类具有狄拉克线性能带色散特征的二维材料被认为是发展新物理,实现超高速、低能耗新型纳米器件的理想平台。文章首先回顾二维狄拉克材料研究的源起,然后从自旋轨道耦合作用的视角重点介绍四类代表性的二维狄拉克材料的研究进展,最后对相关领域进行总结和展望。     

利用超导量子电路模拟拓扑量子材料

近年来,探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是,由于合成、测量等手段的限制,人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质,促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件,超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统,是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟,显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.     

利用飞秒激光实现量子材料中电子维度的操控

强激光与多体系统相互作用可以诱导非平衡态的新奇物理现象,例如光致超导[1]、光致亚稳态[2]、光激发相干声子模式[3]和光致拓扑缺陷的产生[4]等.激光脉冲泵浦激发固体材料中的电子提供了一种通过非热诱导产生新颖量子态的手段,可以在飞秒至皮秒级的时间尺度上操控材料的宏观属性.     

拓扑量子体系中的长波光电探测

拓扑绝缘体是一类体态绝缘而表面态具有金属特性的材料,它作为一种全新的量子物质,引起了人们对新型拓扑相的关注.寻找自然界中新的拓扑材料已经成为近十几年来凝聚态物理中的研究热点.继拓扑绝缘体之后,能带结构的拓扑分类又被扩展到了金属体系,出现了另一类具有特殊电子结构的拓扑材料,即拓扑半金属.拓扑半金属的能带交叉点在费米能上,...