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.     

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.     

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...     

三维拓扑磁振子在真实材料体系中的实现

正将"拓扑"这一数学概念引入物理学后,一方面推动了基础物理学研究的发展,另外一方面也促使了大量新颖拓扑量子材料的出现,例如石墨烯[1]、拓扑绝缘体[2]、三维狄拉克半金属以及外尔半金属[3]等,极大地丰富了材料科学,为低耗散、更稳定的下一代电子器件的发展奠定了材料基础。在这类拓扑材料中,系统的对称性在拓扑电子能带的形成中发挥着极为重要的作用。例如在石墨烯或者三维的狄拉克半金属材料中,系统受到空间     

5d过渡金属氧化物—Weyl半金属奇异量子物性研究

绝缘体系统的拓扑量子行为是当前物理学领域的焦点。那么没有能隙的金属体系是否也有拓扑非平庸行为呢?答案是肯定的,5d过渡金属元素既有着大的自旋轨道耦合,又有着不可忽略的电子关联作用,由其构成的材料体系因而具有奇异的量子物性。本文先简介人们最近关注的几类5d材料,着重讨论烧绿石结构铱(Ir)氧化物(A2Ir2O7,其中A=Y或稀土元素)。我们通过第一性原理计算结合有效模型成功地预言了这一大类磁阻挫材料的基态磁构型,并预言A2Ir2O7是Weyl半金属。我们发现和拓扑绝缘体一样,作为一种新型拓扑量子态,Weyl半金属态也具有其拓扑性质:Weyl点是受拓扑保护稳定的;Weyl半金属有着受拓扑保护的表面态,即非闭合的费米面(Fermi arc);它对外场的响应也由其拓扑性质决定(只与Weyl点的位置有关,和能带的细节无关)。我们进一步预言尖晶石结构锇(Os)氧化物(AOs2O4,其中A=Ca或Sr)是有着特别磁电响应的Axion绝缘体。最后我们讨论了电子关联、自旋轨道耦合、磁序结构对钙态矿结构锇氧化物的影响,进一步确定NaOsO3是由磁序导致金属–绝缘体相变的Slater绝缘体。     

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     

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。     

外尔超构材料里频率分离外尔点的数值设计

外尔半金属是指三维能带结构具有手性拓扑点简并特征的无能隙固体材料,并且简并点附近的色散关系遵从外尔方程的描述.它具有很多独特的电子输运性质,比如:费米弧表面态、负磁阻效应、手性朗道能级等.类比电子系统的外尔半金属材料,人们设计出理想外尔超构材料,在电磁波体系里实现了频率一致的外尔点简并.本文打破这种超构材料的镜面对称性,通过数值计算发现了原本频率一致的外尔点出现了依赖手性的频移,频移的正负由外尔点的手性决定,因此实现了手性不同的外尔点在频率上的分离,同时也检验了001晶面上外尔点之间的费米弧表面态.     

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。     

外尔半金属及其输运特性

外尔半金属是继石墨烯以及拓扑绝缘体之后的又一个研究热点。相比于后两者,外尔半金 属独特的三维无能隙线性色散能带结构使得它有很多奇特的性质,如：手性反常、手性磁效应、 反弱局域化、手性朗道能级和负磁阻效应等。实际样品中无序总是不可避免的,所以考虑无序对 体系的影响是很有必要的。我们回顾了无序下第一类以及第二类外尔半金属的相变特性,并获得 了完整的相图,这些无序诱导的相变丰富了拓扑安德森绝缘体和安德森金属绝缘体相变的物理内 涵。我们同样回顾了长程短程无序影响下的第一类外尔半金属体系的输运,发现了一种不能采用 玻尔兹曼输运方程来描述的输运过程。我们介绍Imbert-Fedorov 位移这一光学中的效应在外尔 半金属中的实现,这为更好地应用外尔半金属提供了更多的可能性,随后采用波包散射,我们解 释了外尔半金属中的超高载流子迁移率问题的原因,最后我们给出一个简要的总结。     

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。     

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,...     

关于拓扑费米子与其手性朗道能带的指标定理

拓扑半金属是近年来凝聚态物理的研究热点,而拓扑荷是拓扑半金属的核心概念.例如人们熟悉的外尔半金属,每个外尔点的拓扑荷等于±1,分别对应外尔点的手性是左还是右.探测费米点拓扑荷的常用方法是加磁场,观察朗道能带中的手性能带数,例如单个外尔点的朗道能带包含一个手性能带(图(a),(b)).通过很多模型的具体计算,大家注意到这...     

磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构

首先简要地介绍了磁性材料中磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构以及相互之间的关系. 一方面, 磁畴结构由材料的磁结构、内禀磁性和微结构因素决定; 另一方面, 磁畴结构决定了材料磁化和退磁化过程以及技术磁性. 拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密. 最近的研究兴趣集中在一些拓扑磁性组态, 如涡旋、磁泡、麦纫、斯格米子等. 研究发现这些拓扑磁结构的拓扑性质与磁性能密切相关. 然后从尺寸效应、缺陷、晶界三个方面介绍国际学术界在磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构方面的进展. 最后介绍了在稀土永磁薄膜材料的微观结构、磁畴结构和磁性能关系、交换耦合纳米盘中的拓扑磁结构及其动力学行为方面的工作. 通过对文献的评述, 得到以下结论: 开展各向异性纳米复合稀土永磁材料的研究对更好地利用稀土资源具有重要的意义. 可以有目的地改变材料的微结构, 可控地进行磁性材料的磁畴工程, 最终获得优秀的磁性能. 拓扑学的概念正在应用于越来越多的学科领域, 在越来越多的材料中发现拓扑学的贡献. 研究磁畴结构、拓扑磁性基态或者激发态的形成规律以及动力学行为对理解量子拓扑相变以及其他与拓扑相关的物理效应是十分重要的. 也会帮助理解不同拓扑学态之间相互作用的物理机制及其与磁性能之间的关系, 同时拓展拓扑学在新型磁性材料中的应用.     

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_(x,y)轨道形成的二次型非狄拉克能带.不同于之前报道的p_z轨道形成的狄拉克拓扑态很容易被衬底破坏,p_(x,y)轨道形成的σ键非常稳定.当考虑自旋-轨道耦合作用时,二次型的非狄拉克点打开了接近177.39 meV的非平庸带隙.通过反常霍尔电导、陈数、贝里曲率和边缘态的计算,证实了 BaPb非平庸的拓扑性.此外,体系还表现出每个单元52.01 meV的大磁晶各向异性能.     

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.     

反铁磁轴子绝缘体候选材料EuIn_2As_2的表面原子排布和电子结构

非平庸的能带拓扑性与磁性结合可以产生丰富的量子现象,包括量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等.不同于磁性掺杂和异质结方案,内禀磁性拓扑绝缘体避免了掺杂带来的无序,且制备工艺通常比异质结更加简单,因此对研究和利用磁性拓扑绝缘体都有重要的意义.最近,EuIn_2As_2被认为是内禀反铁磁轴子绝缘体,本文使用低温扫描隧道显微镜研究了它的解理表面的原子排布和电子结构.结合原子分辨形貌图、晶格对称性分析以及局域态密度等信息,认为观测到的表面条纹结构来源于Eu截止面50%覆盖度的1×2表面重构.通过条纹面的局域态密度测量,发现4 K时费米能附近态密度存在非对称的谷-峰特征,该特征随温度升高逐渐变弱,在反铁磁相变温度以上完全消失,表明其与反铁磁序密切相关.此外,在某些台阶附近,伴随有少量迷宫状的结构,进一步分析认为可能是Eu原子形成的翘曲结构导致的.这些结果为理解EuIn_2As_2的表面能带结构和拓扑性质提供了重要信息.     

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