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.     

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     

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。     

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     

封面故事

<正>随着拓扑能带理论的发展,越来越多的新粒子在凝聚态材料体系中被发现。最近,第二类外尔费米子在理论预言后受到了广泛的关注。南京大学物理学院的科研人员研究了第一个被预言的第二类外尔半金属材料WTe_2,在高质量的薄膜样品中观测到第二类外尔费米子各向异性的手征     

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.     

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-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.     

GdN,GdP和GdAs的电子结构：第一性原理研究

用从头计算第一性原理对Gd-V化合物进行了电子结构与磁性的理论研究.计算的理论基础是密度泛函理论和局域(自旋)密度近似,并应用了相对论性LMTO-ASA计算方法.结果表明Gd-V的非自旋极化能带均为半金属特征.在进行宽能带的自能修正后GdN的非自旋极化能带是半导体行为(E_{g≈019eV).自旋极化的LSDA计算结果表明Gd-V均为半金属性的能带结构,即空带与价带有微弱的交叠.在布里渊区的X点和Γ点,分别有n型和p型色散的能带穿过费米面.对于GdN而言,它的上自旋子带为半金属能带,而下自旋子带却 关键词：}     

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,...     

应力作用下吸附过渡金属原子的蓝磷单层中的拓扑转变（英文）

本文通过第一性原理计算方法研究了被第四B族过渡金属吸附原子(Cr,Mo,W)修饰的蓝磷单层的电子结构性质,发现Cr修饰的蓝磷单层为磁性半金属,而Mo或W修饰的蓝磷单层为半导体,其带隙均小于0.2 eV.对Mo或W修饰的蓝磷单层施加双轴压应力使得带隙先闭合再打开,且在此过程中发生了能带反转的现象,说明Mo或W修饰的蓝磷单层发生了拓扑转变.Mo和W修饰的蓝磷单层的拓扑转变压应力分别为-5.75%和-4.25%,其拓扑绝缘带隙分别为94 meV和218 meV.如此大的拓扑绝缘带隙意味着在较高温度条件下有可能在蓝磷单层中通过吸附过渡金属原子实现拓扑绝缘态.     

应力作用下吸附过渡金属原子的蓝磷单层中的拓扑转变

本文通过第一性原理计算方法研究了被第四B族过渡金属吸附原子(Cr,Mo,W)修饰的蓝磷单层的电子结构性质,发现Cr修饰的蓝磷单层为磁性半金属,而Mo或W修饰的蓝磷单层为半导体,其带隙均小于0.2 eV. 对Mo或W修饰的蓝磷单层施加双轴压应力使得带隙先闭合再打开,且在此过程中发生了能带反转的现象,说明Mo或W修饰的蓝磷单层发生了拓扑转变. Mo和W修饰的蓝磷单层的拓扑转变压应力分别为-5.75%和-4.25%,其拓扑绝缘带隙分别为94 meV和218 meV. 如此大的拓扑绝缘带隙意味着在较高温度条件下有可能在蓝磷单层中通过吸附过渡金属原子实现拓扑绝缘态.     

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。     

AuCu3 型超导体SrPb3 中德哈斯-范阿尔芬振荡及非平庸拓扑能带

AuCu3 型超导体兼具非平庸的拓扑能带, 是近期受到关注的拓扑超导体候选材料之一. 理论预言 SrPb3具有非平庸的拓扑能带, 然而, 实验上尚未得到证实. 本工作观察到德哈斯-范阿尔芬振荡, 验证了 SrPb3 中电子能带的非平庸拓扑性质. 通过分析提取出两个振荡频率Fα =3.54 T 和Fβ =7.43 T. 进一步利用 Lifshitz-Kosevich 公式以及朗道量子化理论, 得到两个对应费米面的载流子有效质量分别为 mα* =0.006m0 和 mβ* =0.008m0 , 同时它们的贝里相位分别为?αB = (1 .32±0.25)π 和?βB = (1 .10±0.25)π. 这些结果表明 SrPb3 中存在有效质量接近于零的相对论费米子和非平庸拓扑能带. SrPb3 中超导电性与非平庸拓扑能带的共存, 为研究超导与拓扑的关联以及探索拓扑超导体提供新的研究体系.     

有趣的近藤效应

正寻找物质新态是凝聚态物理的重要前沿课题,也是科学家同行们激烈竞争的大舞台。近年来,随着科学技术的飞速发展,诸如拓扑超导态、拓扑绝缘态、外尔半金属态等一系列新物质态不断在实验中被观测到。金、铜、银等正常金属的电子基态称为费米液体态,其特征为电阻率     

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。     

点缺陷扶手型石墨烯量子点的电子性质研究

基于有限差分方法, 数值求解了Dirac方程, 研究了垂直磁场下的点缺陷扶手型 石墨烯 量子点的能谱结构, 分析了尺寸大小对带隙的影响. 与无磁场时具有一定带隙 (带隙的大小与半径成反比) 的量子点相比, 在外加有限磁场下, 能谱中出现朗道能级, 最低朗道能级能量为零并与磁场强度无关, 并且朗道能级的简并度随着磁场的增加而增加. 进一步的计算表明, 最低朗道能级的简并度与磁场成线性关系, 与半径的平方成线性关系. 本文工作对基于石墨烯量子点的器件设计具有一定的指导意义.     

量子模拟外尔半金属

Weyl 半金属的拓扑性质会导致很多新奇的物理现象，比如表面的费米弧(Fermi arc)。本文则讨论 Weyl 半金属的手征磁效应(Chiral magnetic effect, CME)。这一效应的出现，与某种原因导致一对手性相反的 Weyl 点出现能量差有关。此时，左手性和右手性不平衡，引入外加磁场将导致Weyl 点附近产生正比于磁场强度并沿着磁场方向的拓扑电流，该现象通常被称为凝聚态物理中的手征磁效。强调凝聚态物理，是因为这个概念一般多见于核物理中夸克–轻子等离子体的形成过程，其中相对论性重离子碰撞过程起主导作用。值得注意的是，手征磁效应是左手和右手Weyl 点在能动量上分开导致的，与近年来广泛研究的手征反常(chiral anomaly) 具有本质的区别。比如，Dirac 半金属具有手征反常，但不产生手征磁效应。手征反常是指在平行的电场E 和磁场B 的作用下，Weyl 或Dirac 半金属中产生的左手（右手） Weyl 费米子会持续转化为右手（左手）Weyl 费米子。尽管这两种机制在Weyl 半金属中都存在，但却表现出不同的输运现象。其中一个明显的区别表现为：实现手征反常需要电场 E 和磁场 B 的共同作用，而手征磁效应引起的拓扑电流通常只需要磁场 B 的作用就可以了。     

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.