贝利相与非线性输运

电子输运现象包含一系列很重要的材料性质,并可以用来提供关于载体物理系统的很多信息。在 最近的二三十年,人们逐渐认识到除了电子能谱之外,电子在布里渊区的几何性质,比如贝利曲率和 轨道磁矩,会在电子输运中起到关键性的作用。在线性输运现象中的此种关联已引起广泛的兴趣并得 到深入的研究。然而,在非线性输运现象中的电子几何性质的作用的研究最近才逐渐起步。此种关联 可以大大加深对各种非线性输运现象的认识,并对如何从材料控制上调节非线性现象的强度提供有价 值的研究视角和指导原则。基于此背景,本文试图引入研究输运现象的半经典理论框架,并在几种输 运现象中举例说明贝利相的作用。     

拓扑新材料研究前沿的理论基础导引Ⅰ:量子霍尔效应

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,本文是第一篇。本科生在大学阶段中已修习过电动力学、量子力学、固体物理等课程,但各类教材往往停留在介绍该课程的传统内容,而缺乏向前多走一步、和领域前沿研究相衔接的努力。我们希望能稍微填补这一空当。第一篇从本科生学过的经典霍尔(Hall)效应讲起,首先介绍量子力学是如何被引入二维或(2+1)维霍尔系统研究中的,然后引导到各种量子霍尔效应(包括整数、分数、反常、自旋)及其中的拓扑不变量。     

垂直各向异性Ho3Fe5O12薄膜的外延生长与其异质结构的自旋输运

垂直磁各向异性稀土-铁-石榴石纳米薄膜在自旋电子学中具有重要应用前景.本文使用溅射方法在(111)取向掺杂钇钪的钆镓石榴石(Gd_0.63Y_2.37Sc₂Ga₃O₁₂,GYSGG)单晶衬底上外延生长了2—100 nm厚的钬铁石榴石(Ho₃Fe₅O₁₂,HoIG)薄膜,并进一步在HoIG上沉积了3 nm Pt薄膜.测量了室温下HoIG的磁各向异性和HoIG/Pt异质结构的自旋相关输运性质.结果显示,厚度薄至2 nm的HoIG薄膜(小于2个单胞层)在室温仍具有铁磁性,且由于外延应变,2—60 nm厚HoIG薄膜都具有很强的垂直磁各向异性,有效垂直各向异性场最大达350 mT;异质结构样品表现出非常可观的反常霍尔效应和“自旋霍尔/各向异性”磁电阻效应,前者在HoIG厚度小于4 nm时开始缓慢下降,而后者当HoIG厚度小于7 nm时急剧减小,说明相较于反常霍尔效应,磁电阻效应对HoIG的体磁性相对更加敏感;此外,自旋相关热电压随HoIG厚度减薄在整个厚度范围以指数方式下降,说明遵从热激化磁振子运动规律的自旋塞贝克效应是其主要贡献者.本文结果表明HoIG纳米薄膜具有可调控的垂直磁各向异性,厚度大于4 nm的HoIG/Pt异质结构具有高效的自旋界面交换作用,是自旋电子学应用发展的一个重要候选材料.     

磁场中的拓扑绝缘体边缘态性质

用数值方法研究了拓扑绝缘体薄膜体系在外加垂直磁场 作用下其边缘态的性质. 磁场的加入通过耦合k+eA, 即Peierls势替换关系和 该作用导致的Zeeman交换场体现在哈密顿量中. 考虑窄条圆环状结构的二维InAs/GaSb/AlSb薄膜量子阱材料, 当其处于拓扑非平庸状态, 即量子自旋霍尔态时, 会出现受时间反演对称性保护的两支简并边缘态, 而在垂直磁场的作用下, 时间反演对称性被破坏, 这时能带将形成一条条的朗道能级, 原来简并的两支边缘态也会分开到朗道能级谱线的两侧, 从电子态密度的空间分布情况则可以看到边缘态分别局域在材料的两个边界. 随着磁场的增大, 位于同一边界上的不同 自旋极化的边缘态将出现分离: 一支仍然局域在边缘, 另一支则随外加磁场的增加而有逐渐演化到材料内部的趋势. 文中还计算了同一边界上的两支边缘态之间的散射, 结果表明由于两个边缘态在空间发生分离, 相互之间的散射被很大的压制, 得到了其散射随磁场增加没有明显变化的结论, 所以磁场并不会增强散射过程, 也没有破坏体拓扑材料的性质, 说明了量子自旋霍尔态在没有时间反演对称的情况下也可以有较强的稳定性.     

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...     

量子气体中的输运行为

输运测量是了解物质性质的一个重要手段.本文简单介绍最近在量子气体中实现的输运实验及其主要结论,包括在类似于介观物理器件中的Landauer输运和强相互作用费米气体中的自旋输运行为.我们着重讨论自旋动力学的特殊性以及其由于全同粒子相互作用所导致的特殊自旋扩散流的形式.     

磁性外尔半金属材料研究现状与展望

外尔半金属是拓扑半金属家族中的一员。理想的外尔半金属费米面附近有且仅有非简并价带和导带形成的孤立能带交叉点,其低能激发准粒子可以用描述手性外尔费米子的外尔方程来刻画。在三维固体中形成外尔半金属态需要破缺时间反演、中心反演以及它们的组合对称操作。外尔点(即能带交叉点)具有拓扑稳定性和确定的手性或磁荷,且左右手性外尔点需成对出现。非磁性外尔半金属TaAs家族材料的发现,使得研究具有手征性的电子态,及其导致的新物性、新现象成为可能。与非磁性外尔半金属相比,磁性外尔半金属可以仅仅具有一对外尔点,是最简单的外尔半金属,有利于物理机理的分析。磁性外尔半金属可用于实现具有本征磁性的量子反常霍尔效应,提供了通过外磁场来调控外尔点及其相关效应的新手段。文章介绍了磁性外尔半金属的理论模型、拓扑数计算等基本原理,简要回顾了一些典型材料的理论计算和实验研究进展,并介绍了磁性拓扑量子化学理论和磁性拓扑材料的高通量计算,最后讨论了磁性外尔半金属的发展前景和未来的研究方向。     

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。     

石墨烯的三阶非线性和光双稳态调控特性

研究单层石墨烯的三阶非线性和光双稳态效应。通过理论分析和数值模拟,改变单层三阶非线性石墨烯的费米能级、弛豫时间、双光子吸收系数及温度条件,调制单层三阶非线性石墨烯光双稳态的阈值大小。单层三阶非线性石墨烯的费米能级越大,温度越高,则光双稳态的阈值越大;双光子吸收系数越大,双稳态的低阈值越大;弛豫时间和双光子吸收系数会明显地改变石墨烯结构的光透射率,而光透射率则对石墨烯材料自身温度不敏感。该结论可为设计各类微纳结构的光子器件如光开关和光传感等提供理论依据。     

具有大磁晶各向异性能的单层BaPb的室温量子反常霍尔效应

具有巨大应用潜力的二维材料在纳米技术领域引起了人们极大的研究兴趣. 基于第一性原理计算, 本文预测了二维六角晶格BaPb体系具有室温量子反常霍尔效应. 体系磁基态是铁磁半金属态, 并且自旋极化的Pb-p轨道导致体系的时间反演对称性破缺. 具有非零Chern数(C = 1)的单层BaPb中非平庸拓扑性来源于全自旋极化的p...     

布洛赫电子的拓扑与几何

文章回顾了电子的拓扑几何理论发展的初期,大约二十多年的历史。首先介绍拓扑陈数在凝聚态物理中的两个重要应用。其一关于量子霍尔效应,绝缘条件下霍尔电导可以写成一个陈数拓扑不变量,从而解释实验结果的精确量子化。其二关于绝热泵浦,它描述布洛赫能带的绝热电流响应,与电子极化有密切联系。拓扑陈数是布里渊区上贝里曲率的积分,后者本身也有独立的物理意义。接着介绍贝里曲率对电子动力学的影响,包括反常速度和轨道磁化等概念。作者还将这个理论推广到多带情况,使其可以应用到自旋输运等现象。最后,文中展示了再量子化方法,从半经典模型来获得布洛赫电子的有效量子理论。在非相对论极限下,泡利—薛定谔方程可以看作是狄拉克电子在正能谱上的等效量子理论,其中的自旋轨道耦合即是一种几何物理效应。     

Correlated electron states at level crossings of bilayer two-dimensional electron systems in tilted magnetic fields

We have measured the energy-level structure of high mobility, strongly coupled bilayer two-dimensional electron systems in tilted magnetic fields by means of magnetotransport experiments. At tilt angles where single-particle levels with opposite spin and symmetry cross, we observe a surprising sudden broadening of the quantum Hall plateaus and a deepening of the Shubnikov–de Haas minima. This observation is explained by an interaction-induced rearrangement of the energy level structure which strongly increases the energetic splitting of two (anti-)crossing levels.     

x射线磁性圆二色吸收谱分析Co膜厚度对原子磁矩和自旋磁矩的影响

利用软x射线磁性圆二色吸收谱(XMCD)研究了Si衬底上沉积的不同厚度的Co膜的轨道磁矩和 自旋磁矩.样品是磁控溅射方法制备的，膜的厚度分别是2nm,10nm和30nm，并在表面覆盖0.8 —1nm厚的金膜防止样品的氧化.根据XMCD求和定则计算得到的轨道磁矩和自旋磁矩分别是0. 249—0.195μ_B(玻尔磁子)和1.230—1.734μ_B.随着膜厚的减小，C o原子的轨道磁矩增加，而自旋磁矩下降.轨道磁矩与总磁矩的比值由0.101上升至0.168，即 2nm膜中Co原子的轨道磁矩对总磁矩的贡献比30nm膜中Co原子的大了83%. 关键词： x射线磁性圆二色 磁性薄膜 轨道磁矩和自旋磁矩 厚度效应     

非线性光学晶体CsLiB6O10谐波产生的允许参量分析

根据波耦合中的能量动量守恒和色散方程,数值模拟计算了CsLiB₆O₁₀晶体在II类相位匹配下的倍频和混频产生的允许参量理论曲线.通过与β-BaB₂O₄晶体的比较,得到了CsLiB₆O₁₀晶体的谐波具有走离角小、允许参量范围宽的结果.     

一种新的偶奇非线性相干态中测量相位算符的压缩效应

利用Bamett和pegg提出的测量相位算符讨论了一种新的偶奇非线性相干态的压缩效应。结果表明，在这种偶奇非线性相干态中测量相位算符不存在CN和SN类压缩，只存在CS类压缩。利用数值计算方法研究了CS类压缩效应，结果表明与通常的偶奇相干态的不同的是，偶非线性相干态在大区域内出现压缩效应而奇非线性相干态在小区域内才出现压缩效应。     

Phase locking and chaotic synchronization in an array of three lasers

A linear array of three lasers that are coupled mutually in space is investigated. It is shown that the phase of the laser fields is locked with intermediate coupling while the laser intensities are totally chaotic and chaotically synchronized. When the intensities of lasers reenter the regime of chaotic synchronization at smaller coupling constant, the laser fields show low degree of phase locking. The phase differences in the fields between three lasers show rich patterns when the coupling is changed. Received 3 August 2001 and Received in final form 27 September 2001     

有限维Hilbert空间一种新的奇偶非线性相干态

利用数值计算方法,研究了有限维Hilbert空间一种新的奇偶非线性相干态的反聚束效应.研究结果表明:各有限维Hilbert空间新的偶非线性相干态均不出现反聚束效应.但各有限维Hilbert空间新的奇非线性相干态均可出现反聚束效应.     

Nonlinear lensing mechanisms in a cloud of cold atoms

We present an experimental study of nonlinear lensing of near-resonant light by a cloud of laser-cooled rubidium atoms, specifically aimed at understanding the role of the interaction time between the light and the atomic vapor. We identify four different nonlinear mechanisms, each associated with a different time constant: electronic nonlinearity, Zeeman optical pumping, hyperfine optical pumping and radiation pressure. Our observations can be quite accurately reproduced using a simple rate equation model which allows for a straightforward discussion of the various effects. The results are important for planning more refined experiments on transverse nonlinear optics and self-organization in samples of cold atoms.