转角半导体过渡金属硫族化物莫尔超晶格中的新奇物态

通过转角或晶格失配构造莫尔人工超晶格,可以对二维材料的能带结构进行有效调控并产生平带,为研究量子多体物理提供了全新的平台.转角过渡金属硫族化物(TMDs)半导体莫尔超晶格中的平带存在于较大的转角范围,并且具有自旋-能谷互锁的能带结构以及优异的光学特性,受到了广泛的关注.本文聚焦于转角TMDs半导体,介绍了近年来实验上发现的多种新奇物态,包括莫特绝缘态、广义维格纳晶体、非平庸拓扑态、莫尔激子等;还进一步讨论了对这些新奇物态的调控及其机制,并展望了莫尔超晶格这一新兴领域未来的研究方向.     

光学莫尔晶格中超短脉冲的脉宽调控

具有莫尔角的光学莫尔晶格使能带平坦化，为激光超短脉冲的脉宽调控提供了新的思路。通过组合两种不同周期的光子晶格，构建3种人工合成莫尔角逐渐增大的光学莫尔晶格，实现了莫尔晶格能带的平坦化。通过理论分析莫尔晶格的能带色散，发现人工合成莫尔角较大的莫尔晶格具有丰富的群速度色散，这导致了脉宽的剧烈变化。实验上，使用自相关仪测量了超短脉冲经莫尔晶格后的脉宽。在理论和实验上证明了莫尔晶格对超短脉冲脉宽的精准调控。提出的莫尔晶格对激光脉冲压缩器件的研究具有重要意义。     

二维范德瓦耳斯半导体莫尔超晶格实验研究进展

在二维范德瓦耳斯材料中,可以通过转角及晶格失配构造周期性的莫尔超晶格.自从实验上在“魔角”石墨烯系统中观察到关联绝缘体态和超导电性以来,利用各种二维范德瓦耳斯材料构造莫尔超晶格并研究其中的新奇量子物态成为了凝聚态物理研究的热点和前沿问题.本文主要综述了最近几年在二维半导体过渡金属硫族化合物莫尔超晶格系统中的相关实验进展.在该系统中实现电子“平带”不依赖于特定魔角,实验上,一系列的关联电子物态和拓扑电子物态被相继发现和证实.进一步的理论和实验研究有望在该系统中揭示更多的受电子关联作用和拓扑物理共同支配的新奇量子物态.     

石墨烯莫尔超晶格

石墨烯莫尔超晶格来源于六方氮化硼衬底对石墨烯的二维周期势调控. 由于这种外加的周期势对石墨烯能带具有显著的调制作用, 近年来引发了人们广泛的关注. 利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 我们系统研究了基底调制下的莫尔超晶格以及相关的物理特性. 首先, 我们在电子端和空穴端都观测到了超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性. 在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应. 并且, 从朗道扇形图中, 可以清晰的看到磁场下形成的超晶格朗道能级. 此外, 利用红外光谱的方法研究了强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙. 在此基础上, 我们在380 meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 进一步研究表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子-电子相互作用引起的旋量势的重构.     

基于超冷原子扭转双层光晶格的量子模拟

<正>将两个二维周期晶格扭转一个角度可以产生莫尔超晶格,如图1所示,这一现象被广泛应用于光学精密检测、图像处理、艺术设计、纺织工业以及建筑学等。最近研究发现莫尔超晶格不但具有独特的美学价值,而且在量子系统中还可能导致各种新奇的物理效应,     

二维莫尔超晶格中的非线性霍尔效应

1879年发现的霍尔效应是凝聚态物理学中最古老也是最重要的领域之一.最近发现的非线性霍尔效应是霍尔效应家族的新成员.与大部分需要打破时间反演对称的霍尔效应不同,非线性霍尔效应存在于少数空间反演破缺但仍具有时间反演对称的系统中,并且因其高频特性和不需额外施加磁场而在诸多领域具有令人期待的应用前景.然而,除空间反演破缺以外,非线性霍尔效应对材料对称性的要求十分苛刻,只在极少数材料中观测到了由贝里曲率偶极矩产生的非线性霍尔效应.近年来快速发展的范德瓦耳斯堆叠技术为剪裁和调控晶体的对称性,制备具有特殊物理性质的人工二维莫尔晶体提供了一个崭新的途径.本文主要围绕二维莫尔超晶格结构在实现非线性霍尔效应方面的特性,介绍了近年来理论和实验上石墨烯超晶格以及过渡金属硫族化合物超晶格中非线性霍尔效应的研究进展,并展望了未来基于二维莫尔超晶格材料的非线性霍尔效应的研究方向和应用前景.     

光子莫尔晶格的研究进展

莫尔晶格是指两个相同或者相似的周期结构重叠形成的复合结构。受二维材料中范德华尔斯(van der Waals)异质结形成的莫尔超晶格研究的影响,光学、声学、力学、热学领域中莫尔晶格的研究也相继重拾热情或不断涌现。本文主要回顾了光学莫尔晶格的研究进展,包括构成莫尔晶格的两个周期结构在空间上处于同层的单层莫尔晶格结构和处于不同层的双层莫尔晶格结构,讨论了由不同材料、不同形式构成的各类光学莫尔结构的线性和非线性光学特性。     

石墨烯莫尔超晶格的晶格弛豫与衬底效应

当两个晶格常数不同或具有相对转角的二维材料叠加在一起时,可形成莫尔超晶格结构,其电学性质对层间堆垛方式、旋转角度和衬底具有很强的依赖性.例如,双层石墨烯的旋转角度减小到一系列特定的值(魔角)时,体系的费米面附近出现平带,电子-电子相互作用显著增强,出现莫特绝缘体和非常规超导量子物态.对于具有长周期性的莫尔超晶格体系,层间相互作用所引起的晶格弛豫会使原子偏离其平衡位置而发生重构.本文主要围绕晶格自发弛豫和衬底对石墨烯莫尔超晶格物性的影响展开综述.从理论和实验的角度出发,阐述旋转双层石墨烯、旋转三层石墨烯、以及石墨烯与六方氮化硼堆垛异质结等体系中自发弛豫对其能带结构和物理性质的影响.最后,对二维莫尔超晶格体系的研究现状进行总结和展望.     

半导体超晶格声子激光器的研究进展

太赫兹频率的相干声子在纳米尺度器件的探测和操控领域具有重要的应用价值。半导体超晶格声子激光器是实现太赫兹频率相干声子源稳定输出的重要途径。本文首先回顾了GHz到THz频率范围声学放大的多种方法,然后详细阐述了超晶格声子放大、超晶格声学布拉格镜的工作原理与设计方法以及声子激光器的阈值条件,同时总结了电抽运和光抽运结构器件的研究现状,最后简要讨论了亚太赫兹声子激光器在声-电子领域的应用。分析表明,这种能够产生强相干太赫兹声子的半导体超晶格声子激光器在纳米尺度器件的探测与成像等方面具有广阔的发展前景。     

应变超晶格系统的共振行为及其动力学稳定性

在经典力学框架内和Seeger方程基础上,讨论了应变超晶格界面附近的位错动力学行为,指出了系统的非线性共振将导致位错的运动与堆积,并可能造成超晶格的分层或断裂.首先,引入阻尼项,在小振幅近似下,把描述一般位错运动的Seeger方程化为了超晶格系统的广义Duffing方程.利用多尺度法分析了系统的主共振、超共振和子共振,并找到了系统出现这三类共振的临界条件.结果表明,系统的临界条件与它的物理参数有关,只需适当调节这些参数就可以原则上避免共振的出现,保证了超晶格材料的完整性和性能的稳定性. 关键词： 位错动力学 应变超晶格 共振 分岔     

二硫化钼的电子能带结构和低温输运实验进展

二硫化钼是一种层状的过渡金属硫族化合物半导体,它在二维自旋电子学、谷电子学及光电子学领域有很多的应用.本综述以二硫化钼为代表,系统介绍其单层、双层及转角双层的堆垛和能带结构;介绍了转角双层莫尔超晶格的制备方法、以及低温电学输运方面的实验进展,例如超导和强关联现象;分析了转角过渡金属硫化物莫尔超晶格在优化接触和样品质量等方面存在的一些挑战,并展望该领域未来的发展.     

磁性硅烯超晶格中电场调制的谷极化和自旋极化

研究了基于硅烯的静电势超晶格、铁磁超晶格、反铁磁超晶格中谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的输运性质,分析了铁磁交换场、反铁磁交换场以及化学势对输运性质的影响,讨论了电场对谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的调控作用.结果表明:当3种超晶格的晶格数达到10以上时,在硅烯超晶格中很容易实现100%的谷极化、自旋极化和赝自旋极化,而且通过调节超晶格上的外加电场可以使极化方向发生翻转,从而在硅烯超晶格中实现外电场对谷自由度、自旋自由度以及赝自旋自由度的操控.     

二维半导体莫尔超晶格中随位置与动量变化的层间耦合

近些年来引起广泛关注的二维半导体莫尔超晶格系统中存在着莫尔激子、强关联电子态和面外铁电性等新奇物理现象,电子的层间耦合对于理解这些现象至关重要.本文研究了二维半导体双层莫尔超晶格中的层间耦合随位置和动量的变化.外势场导致的局域布洛赫波包的层间耦合与波包宽度以及中心位置处的层间平移有着密切关系.同时,层间耦合随动量的变化使得基态S型波包和激发态P^±型波包有着截然不同的随中心位置变化的层间耦合形式:在两个S型波包的层间耦合消失的位置,S和P⁺型(或S和P^-型)波包之间的层间耦合达到最强.利用该性质,可以通过外加光电场来调控特定谷的基态波包的层间输运.此外,双层系统中发现的面外铁电性可以归结为不同层导带和价带间的耦合导致的电子在两层中的再分配现象.将本文得到的层间耦合形式与单层紧束缚模型相结合,可计算出垂直平面的电偶极密度,其随层间平移的变化形式和数量级与实验观测相符.     

半导体纳米结构物理性质的理论研究--2004年国家自然科学二等奖获奖项目介绍

半导体纳米结构是纳米材料的一个重要组成部分,纳米结构的电子和光子器件将成为下一代微电子和光电子器件的核心.半导体纳米结构有多种多样,如自组织量子点、纳米晶体、硅团簇、量子结构等,它们可以制成各种纳米电子学器件.根据以上几类半导体纳米结构,文章介绍的获奖项目提出了研究半导体纳米结构电子结构的四个理论,并利用这些理论研究了它们的电子态和物理性质,发现了许多新的效应.这些理论包括：一维量子波导理论、孤立量子线、量子点的有效质量理论、异质结构的空穴有效质量理论、经验赝势同质结模型.专著〈半导体超晶格物理〉全面系统地介绍了超晶格物理的概念、原理、理论和实验结果,主要总结了获奖项目参加者所在的研究组在超晶格物理研究方面所取得的成果.     

超晶格高分子—无机纳米复合物

近年来，具有规整结构的纳米复合材料很受人们关注；利用有机－无机相间具有的强相互作用进行有序组装，可实现纳米复合材料结构与形态的微观调控．文章主要讨论了最近纳米复合物领域中的超晶格高分子－无机纳米复合物     

原子层厚度超表面光场调控原理及应用

超表面由亚波长尺度二维人工微结构构成,可以实现对光场振幅、相位、偏振等多参量进行调控,为光场调控提供了优良平台。二维材料作为一种新型层状结构材料,相对于三维体材料有着十分独特的光学和电学特性,其与超表面结合为纳米尺度平面光学器件的发展提供了新的可能。本文综述了基于原子层厚度的二维材料超表面发展,介绍了多种二维材料超表面光场调控机制、制备以及应用,最后对原子层厚度超表面发展面临的挑战和潜在应用进行展望。     

叠层/转角二维原子晶体结构与极化激元的近场光学表征

极化激元是一种光与物质发生强相互作用形成的准粒子,可以极大地压缩光波长,提供一种突破衍射极限的光调制方式,为纳米光子学、非线性光学、量子光学等相关学科的发展提供了重要支持.范德瓦耳斯二维原子晶体是研究极化激元的理想平台,通过叠层、转角可以为极化激元的调控提供额外的自由度,从而展示出新颖的光学结构和极化激元特性.本文以近场光学为主要研究方法,对近几年出现的叠层及转角二维原子晶体的各种光学结构及极化激元进行综述.综述内容包括叠层石墨烯的畴结构、转角二维原子晶体的莫尔超晶格结构、转角二维拓扑极化激元、转角石墨烯手性等离激元等.最后,对叠层/转角二维原子晶体及其极化激元的未来发展进行展望.     

莫尔晶格中的激子绝缘体

当载流子动能被抑制后,双层量子阱中的电子-空穴可以通过层间库仑相互作用形成激子绝缘体,而抑制动能的主要手段为施加外部磁场产生朗道能级.在二维莫尔晶格中通过能带折叠可以显著抑制载流子动能进而形成莫尔平带.本文主要介绍通过莫尔平带实现无外加磁场的激子绝缘体,着重介绍几个不同的实验思路,并展示如何利用差分反射谱、层间激子光致发光谱、2s激子探测谱、量子电容以及微波阻抗谱探测激子绝缘体信号.总的来说,莫尔晶格中形成的激子绝缘体为在固体环境中研究Bose-Hubbard模型提供了很好的平台,其研究内容可包括激子莫特绝缘体、激子超流以及它们之间的连续转变等.     

光解水的原子尺度机理和量子动力学

利用阳光直接将水分解为不含碳的氢气燃料和氧气是面向全球能源危机环保且低成本的解决方案.得益于电子结构理论和量子模拟方法的进步,人们已经能够直接研究在纳米颗粒上等离激元诱导光解水过程在原子尺度上的反应机理和超快动力学.本文简述近年来的相关工作进展.吸附在氧化物薄膜上的金纳米颗粒很有希望成为水分解的高效新型光催化剂.在光激发条件下,水分解反应速率和光强、热电子转移之间有强相关性.水分解速率不仅取决于光吸收强度,还受到等离激元量子振动模式的调控.这对于太阳能光解水器件中纳米颗粒的设计有借鉴意义.我们发现液态水在金团簇等离激元催化下100 fs内就能产生氢气.超快量子动力学模拟表明,该过程中场增强起主导作用,从金属到水反键态的超快电荷转移也扮演着重要角色.综合这些原子尺度上的量子动力学研究,我们提出受激水分子中氢原子高速碰撞(速度远远超出其热速度)合成氢分子的"链式反应"机理.     

量子等离激元光子学在若干方向的最新进展

等离激元光子学是围绕表面等离激元的原理和应用的学科,是纳米光学的重要组成部分.表面等离激元的本质是局域在材料界面纳米尺度内的多电子元激发.这一元激发可以与电磁场强烈耦合,使得我们可以通过纳米尺度结构接收,调控和辐射微米尺度光信息,并由此衍生出等离激元光子学的诸多应用.近年来,随着纳米加工尺度逼近量子极限,等离激元的量子特性受到了广泛关注.量子尺度的等离激元承接电子的波动性和光的粒子性,以其独特的內禀属性,在量子信息、高效光电器件、高灵敏探测等方面表现出十分诱人的前景.本综述重点介绍量子等离激元近年来的发展现状,回顾相关理论的发展以及与等离激元量子特性相关的一些突破性成果.最后对量子等离激元未来的发展进行了展望.