5d过渡金属氧化物中的奇异量子物性研究

相比于3d和4d过渡金属元素, 5d过渡金属元素既具有很强的自旋轨道耦合相互作用, 同时它们的电子关联作用也不可忽略. 因而5d过渡金属氧化物体系具有许多奇异的量子特性. 这篇综述主要介绍我们在5d过渡金属氧化物中的一些理论进展. 首先介绍烧绿石结构铱氧化物(A₂Ir₂O₇, A=Y或稀土元素)中的Weyl拓扑半金属性. 我们确定出A₂Ir₂O₇这一类具有阻挫结构材料的磁基态, 并预言其是Weyl半金属; 其Weyl 点受到拓扑保护而稳定, 而且它的表面态在费米能级形成特别的费米弧. 其次预言尖晶石结构锇氧化物(AOs₂O₄, A=Ca, Sr)是具有奇异磁电响应的Axion绝缘体; 然后分析了电子关联、自旋轨道耦合对钙钛矿结构的锇氧化物(NaOsO₃)的影响, 并成功定出它的基态磁构型, 最终确定其为Slater绝缘体. 最后介绍了LiOsO₃中铁电金属性的成因.     

磁性起源的表面态能隙与“半磁拓扑绝缘体”

正近年来,具有本征长程磁序的拓扑绝缘体Mn-Bi-Te家族成为了研究拓扑物态和量子调控的理想载体,有望在同一材料体系中实现量子反常霍尔效应、轴子绝缘态和高阶拓扑绝缘态等多种新奇拓扑物态。其中,根据拓扑量子场论的预言,轴子绝缘态可以用来观测隐藏在拓扑材料体相之内的拓扑磁电效应,甚至有望为解答宇宙中暗物质缺失的疑难提供线索。     

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。     

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。     

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,...     

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.     

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.     

二维光子拓扑绝缘体研究进展

受凝聚态拓扑绝缘体研究的启发,整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等拓扑物理相继在光学系统中实现.光子系统因能带干净,样品设计简单且制作精度高等优势,逐渐成为研究物理拓扑模型和新型拓扑效应的重要平台.拓扑光子学提供了全新的调控光场和操控光子的方法,其拓扑保护的边界态可实现光子对材料杂质缺陷免疫...     

量子自旋液体候选材料的缪子自旋弛豫研究

量子自旋液体是一种新奇的磁性物态。由于极强的量子涨落,直至零温都不会出现长程序。量子自旋液体的基态不能用序参量描述,并且缺少对称性破缺,因此该物态的实现打破朗道理论的范式。对于量子自旋液体的研究有助于理解高温超导的机理,并且可以被应用在量子计算和量子信息中。目前,尽管理论上有了长足的发展,但仍旧没有任何一个材料被证实为量子自旋液体。因此,探测和确认一个真正的量子自旋液体材料是当前的研究重点。缪子自旋弛豫是一个对磁场极为敏感的实验技术,被广泛应用于量子自旋液体候选材料的研究中。该技术可以观测基态中是否存在磁有序,测量系统中的涨落频率,这两点都是表征量子自旋液体的重要性质。本文简要介绍了量子自旋液体态和缪子自旋弛豫技术,回顾了近期在不同体系的量子自旋液体候选材料中的实验结果,特别是缪子自旋弛豫的成果。这些体系包括一维反铁磁海森堡链（苯甲酸铜）,三角格子（YbMgGaO4,NaYbO2 和TbInO3）,笼目格[ZnCu3(OH)6Cl2 和 m3Sb3Zn2O14],蜂窝状格子（Na2IrO3 和 α-RuCl3）,以及烧绿石结构（Tb2Ti2O7,Pr2Ir2O7 和Ce2Zr2O7）。     

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.     

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。     

通往量子自旋液体的新路径——Kitaev模型的材料实现

Kitaev模型是一种建立在二维六角蜂窝状格子上的有效自旋为1/2的量子自旋液体模型。该模型可严格求解,具有拓扑序,分数化激发产生马约拉纳费米子与Z_2规范场,提供了对拓扑物理学与非易失性存储技术研究的新思路。区别于三角晶格与笼目格等材料中由于几何阻挫导致的量子自旋液体态,Kitaev量子自旋液体的形成来源于自旋空间中各向异性的Kitaev相互作用。近年来,在真实材料体系中寻找这种相互作用成为了实现量子自旋液体的新途径。其中,具有六角蜂窝状结构的莫特绝缘体α-RuCl_3被认为是众多候选材料中最具潜力的一种。文章将从实验角度出发,以α-RuCl_3为主要代表体系,介绍近年来在Kitaev量子自旋液体实验研究方面的重要进展,特别是以中子散射为主要手段对材料中与Kitaev量子自旋液体态相关的自旋激发态研究的结果。     

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...     

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     

在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模

寻找具有拓扑序的新物质态是目前一个非常活跃和令人激动的研究领域.与拓扑绝缘体类似,在超导体中也存在着拓扑非平庸的超导态,它与传统的超导体在拓扑性上是不等价的,这种具有非平庸拓扑序的超导体被称为拓扑超导体.拓扑超导体在体内具有非零的超导能隙,而在表面有无能隙的表面态.理论预言在拓扑超导体中能够实现具有非Abelian统计特性的Majorana费米子. Majorana费米子可以用来构建拓扑量子比特,在拓扑量子计算方面有重大的科研和应用前景.拓扑绝缘体的出现催生出了许多人工拓扑超导体材料.本专题将主要介绍在拓扑绝缘体/超导体异质结中探测Majorana费米子的一系列实验工作.通过对拓扑超导体的研究,人们对超导电性有了全新的认识,有可能找到实现Majorana费米子新奇量子物理性质的方法.     

Pb掺杂对Cd_2Ru_2O_7反常金属态的调控

具有烧绿石结构的Cd_2Ru_2O_7在形成长程反铁磁序的同时进入反常的金属态.采用高压高温方法制备了一系列Pb掺杂的Cd_(2-x)Pb_xRu_2O_7(0≤x≤2)多晶样品,并系统研究了其晶体结构和电阻率、磁化率、热电势等物理性质.尽管Pb_2Ru_2O_7是泡利顺磁金属,但少量Pb~(2+)掺杂的样品Cd1.8Pb0.2Ru2O7却呈现出明显的金属-绝缘体转变,与施加静水压和少量Ca~(2+)掺杂的效果类似.通过与类似的烧绿石Ru~(5+)氧化物进行对比,提出Cd_2Ru_2O_7中的Ru~(5+)-4d~3电子态恰好处于巡游到局域过渡的区域,少量Pb~(2+)掺杂造成的晶格无序增强了电子的局域性,使得形成反铁磁序的同时伴随出现了金属-绝缘体转变.这表明具有烧绿石结构的Ru~(5+)氧化物是研究巡游-局域电子转变的理想材料体系.     

磁序与拓扑的耦合:从基础物理到拓扑磁电子学

磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科,二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础.磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物,为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度.磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物态,通过拓扑增强的贝利曲率产生了一系列新奇的磁/电/热/光效应;而外尔电子与磁序的相互作用也使得拓扑电子物理有望成为磁电子学应用的新原理和驱动力.当前,新物态与新效应的发现是磁性拓扑材料第一阶段的主要任务和特征,而动量空间拓扑电子与实空间磁序的相互作用已经开始进入人们的视野.这两个阶段的深入发展,将为拓扑磁电子学积累必要的物理基础和应用尝试.本文着眼于磁性拓扑材料发展的两个阶段,讲述磁性拓扑材料的提出和实现、均一磁序下的拓扑电子态及新奇物性、局域磁态与拓扑电子的相互作用3个方面,阐述当前领域内的热点内容和发展趋势,并对拓扑磁电子学的未来发展进行了思考和展望,以助力未来拓扑自旋量子器件的快速发展.     

拓扑新材料研究前沿的理论基础导引Ⅱ：多种拓扑材料

本专题旨在为感兴趣且学有余力的本科生和低年级研究生提供一条从大学物理到当前二维、三维拓扑新材料研究前沿的学习路径。专题包含两篇，本文是第二篇。基于第一篇回顾过的各种量子霍尔效应及其中的拓扑不变量，本篇介绍多种新材料，包括石墨烯、拓扑绝缘体和拓扑半金属。重点将放在晶格结构的紧束缚模型处理，以蜂窝六角晶格和方晶格为例推导出描述量子反常霍尔效应的两带模型，介绍能带结构与拓扑不变量(陈数、拓扑映射度等)的联系及其所导致的体-边对应关系(bulk-boundary correspondence)。其中自旋轨道耦合(spin-orbitcoupling)的写法、哈密顿量的傅里叶(Fourier)变换、能带结构的求解、拓扑不变量及边缘态的计算都有助于夯实初学者的理论基础。另外本篇还将简述不同种类的拓扑半金属的能带结构及其表面态。     

拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应

拓扑绝缘体是近年来发现的一类新的量子材料,已成为凝聚态物理的研究热点领域.厚度仅几纳米的拓扑绝缘体薄膜不但具有奇特的物理性质,而且还是拓扑绝缘体应用于平面器件的基础.文章以Bi2Se3为例,介绍了Bi2Se3家族拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长以及其能带、自旋结构和拓扑性质随层厚的演化.这些结果为人工调控拓扑绝缘体的电子结构和物理性质提供了指导.     

一维量子子自自旋链中拓扑有序态的物理描述

一维量子多体系统是凝聚态物理学中的重要研究方向之一,其中的新奇量子物态则是重要的研究课题。本文我们首先简要回顾一维量子整数自旋链体系的相关研究背景,然后提出一类SO(n)对称的严格可解量子自旋链模型及其矩阵乘积基态。当奇数n≥3时,体系的基态为Haldane相。利用这类态中隐藏的稀薄反铁磁序,我们找到了刻画这类态的非局域弦序参量,并在隐藏拓扑对称性的统一框架下解释了稀薄反铁磁序以及边缘态等奇特现象的起源。当偶数n≥4时,体系的基态为二聚化态。这些态属于破缺平移对称性的非Haldane相,但同样具有隐藏的反铁磁序。通过这些严格解的研究,我们还得到了一维SO(n)对称的双线性–双二次模型的基态相图,并发现在n≥5时,一维SO(n)对称的反铁磁海森堡模型的基态处于二聚化相中。基于以上这些结果,我们推广构造了一维平移不变且包含李群G对称性的Valence BondState(VBS)态,并利用其矩阵乘积表示讨论了对应哈密顿量的构造方法。对于自旋为S的量子整数自旋链,我们研究了两类具有不同拓扑属性的VBS类,前一类VBS态的边缘态处于SU(2)自旋J的不可约表示,后一类VBS态的边缘态为SO(2S+1)旋量。在前一类态中,我们以自旋为1的费米型VBS态为例构造了对应的哈密顿量。对后一类态,我们证明了它们等价于SO(2S+1)矩阵乘积态,从而揭示了呈展对称性的起源和边缘态的性质。我们还推广了SO(5)对称的玻色型和费米型VBS态,并探讨了它们的拓扑刻画方式。