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.     

圆环结构磁光光子晶体中的拓扑相变

二维圆环结构的三角晶格磁光光子晶体中可以呈现多重拓扑相.在不同的几何参数和磁场下,这些拓扑相包括正常光子带隙相、量子自旋霍尔相和反常量子霍尔相.与文献[1]类似,该结果展现了二维光子晶体丰富的拓扑相变现象.     

单轴压力下Ge2X2Te5(X=Sb,Bi)薄膜拓扑相变的第一性原理研究

随着拓扑绝缘体的发现, 材料拓扑物性的研究成为凝聚态物理研究的热点领域. 本文基于第一性原理计算, 研究了化合物Ge₂X₂Te₅ (X=Sb, Bi) 的块体结构和二维单层和双层薄膜结构的拓扑物性, 以及单双层薄膜在垂直方向单轴压力下的拓扑量子相变. 研究发现, A型原子序列排列的这两种化合物都是拓扑绝缘体, 其单层薄膜都是普通金属, 而双层薄膜都是拓扑金属, 单层和双层薄膜在单轴加压过程中都没有发生拓扑量子相变; 这两种化合物的B型原子序列的晶体是普通绝缘体, 其所对应的薄膜, Ge₂Sb₂Te₅单层是普通金属, 双层薄膜和Ge₂Bi₂Te₅的单层和双层薄膜均为普通绝缘体, 但是在单轴加压过程中B 型原子序列所对应的单层和双层薄膜都转变为拓扑金属.     

拓扑激发驱动的热力学相变及其张量网络研究方法

对热力学相及相变的认知构成了我们理解整个物质世界的物理基础,从朗道对称破缺相变范式到拓扑激发驱动的热力学相变,相变理论的研究发展在物质科学进步之路上树立起了一座座丰碑.一个著名的例子就是Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相变,它是在从低温到高温的演变过程中, U(1)旋转对称性没有自发破缺情形下,成对涡旋的解耦合所致.近期,人们利用张量网络表示理论和数值计算方法,将统计模型的转移矩阵对应为一维量子模型.再根据量子模型纠缠熵的奇异性,在热力学极限下可以精确确定系统的相图,并准确计算各种物理量,该研究方法为研究具有连续对称性的二维系统的拓扑相变注入了新活力.     

留数定理在拓扑相变中的应用

留数定理是高校物理专业必修课程数学物理方法中的一个重要定理.传统教学中关于该定理的讲授着重于数学公式的推导和数学思想的传达,而对于其在具体物理问题上的应用鲜有涉及.本文以一维Su-Schrieffer-Heeger模型的拓扑相变问题为例,阐明了如何利用留数定理解析得到二阶位移量的表达式并用该物理量表征拓扑相变.在讲授留数定理的教学过程中引入具体物理问题的分析实例,可以使学生更深刻地理解数学定理中的物理内涵.     

一维自旋1键交替XXZ链中的量子纠缠和临界指数

利用基于张量网络表示的矩阵乘积态算法以及无限虚时间演化块抽取方法,本文研究了一维无限格点自旋1的键交替反铁磁XXZ海森伯模型中的量子相变.分别计算了系统的von Neumann熵、单位格点保真度和序参量,从而得到了系统随键交替强度的变化从拓扑有序Néel相到局域有序二聚化相的量子相变点.我们用矩阵乘积态方法拟合出了相变的中心荷c?0.5,表明此相变属于二维经典的Ising普适类.另外,通过对拓扑Néel序的数值拟合,我们得到了相变点处的特征临界指数β′=0.236和γ′=0.838.     

Rashba自旋轨道耦合下square-octagon晶格的拓扑相变

本文研究了各向同性square-octagon晶格在内禀自旋轨道耦合、Rashba自旋轨道耦合和交换场作用下的拓扑相变,同时引入陈数和自旋陈数对系统进行拓扑分类.系统在自旋轨道耦合和交换场的影响下会出现许多拓扑非平庸态,包括时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态和量子反常霍尔态.特别的是,在时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应中,无能隙螺旋边缘态依然能够完好存在.调节交换场或者填充因子的大小会导致系统发生从时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态到自旋过滤的量子反常霍尔态的拓扑相变.边缘态能谱和自旋谱的性质与陈数和自旋陈数的拓扑刻画完全一致.这些研究成果为自旋量子操控提供了一个有趣的途径.     

含有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的自旋1键交替海森伯模型的量子相变和拓扑序标度

利用张量网络表示的无限矩阵乘积态算法研究了含有Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用的键交替海森伯模型的量子相变和临界标度行为.基于矩阵乘积态的基态波函数计算了系统的量子纠缠熵及非局域拓扑序.数据表明,随着键交替强度变化,系统从拓扑有序的Haldane相转变为局域有序的二聚化相.同时DM相互作用抑制了系统的二聚化,并最终打破系统的完全二聚化.另外,通过对相变点附近二聚化序的一阶导数和长程弦序的数值拟合,分别得到了此模型相变的特征临界指数a和b的值.结果表明,随着DM相互作用强度的增强, a逐渐减小,同时b逐渐增大. DM相互作用强度影响着此模型的临界行为.针对此模型的临界性质的研究,揭示了量子自旋相互作用的彼此竞争机制,对今后研究含有DM相互作用的自旋多体系统中拓扑量子相变临界行为提供一定的借鉴与参考.     

二维介电光子晶体中的赝自旋态与拓扑相变

基于背散射抑制且对缺陷免疫的传输性质,光子拓扑绝缘体为电磁传输调控提供了一种新颖的思路.类比电子体系中的量子自旋霍尔效应,本文设计出一种简单的二维介电光子晶体,以实现自旋依赖的光子拓扑边界态.该光子晶体是正三角环形硅柱子在空气中排列而成的蜂窝结构.将硅柱子绕各自中心旋转60°,可实现二重简并的偶极子态和四极子态之间的能带翻转.这两对二重简并态的平均能流密度围绕原胞中心的手性可充当赝自旋自由度,其点群对称性可用来构建赝时间反演对称.根据k·p微扰理论,给出了布里渊区中心附近的有效哈密顿量以及对应的自旋陈数,由此证实能带翻转的实质是拓扑相变.数值计算结果揭示,在拓扑非平庸和平庸的光子晶体分界面上可实现单向传输且对弯曲、空穴等缺陷免疫的拓扑边界态.本文中的光子晶体只由电介质材料组成并且晶格结构简单,实现拓扑相变时无需改变柱子的填充率或位置,只需转动一个角度.因此,这种结构在拓扑边界态的应用中更为有效.     

探究弦球链系统的拓扑不变量

周期性弦球链体系作为典型的声子晶体体系,其能带结构已得到了广泛而深入的研究.在实际观测体系能谱的过程中,会探测到一类特殊的能量本征态——边缘态(能量处在带隙间,且波函数局域在体系边缘的态),同时观察到其存在具有一定的鲁棒性.由于实验上观测到的弦球链边缘态的性质与电子体系中拓扑绝缘体的边缘态性质的相似性,可以利用同一套能带拓扑的语言研究弦球链体系.本文通过数值计算能带的拓扑不变量,揭示了弦球链体系非平庸的拓扑性质,从而证明了实验上探测到的边缘态是拓扑保护的边缘态.基于数值计算的结果,讨论了体系的拓扑相变与边缘态的输运性质     

铁基超导中拓扑量子态研究进展

铁基超导体和拓扑量子材料是近年来凝聚态物理两个重要的前沿研究方向.铁基超导体中是否能衍生出非平庸的拓扑现象是一个非常有意义的问题.本文从晶体对称性、布里渊区高对称点附近的有效模型以及自旋轨道耦合相互作用三个方面具体分析了铁基超导的电子结构的基本特点.在此基础上,重点阐述铁基超导的正常态、临近超导的长程有序态以及超导态中非平庸的拓扑量子态是如何衍生的;具体介绍了相关的理论模型以及结果,回顾了相关的实验进展,展望了该领域的发展前景.     

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。     

一维扩展量子罗盘模型的拓扑序和量子相变

应用矩阵乘积态表示的无限虚时间演化块算法,研究了扩展的量子罗盘模型.为了深入研究该模型的长程拓扑序和量子相变,基于奇数键和偶数键,引入了奇数弦关联和偶数弦关联,计算了保真度、奇数弦关联、偶数弦关联、奇数弦关联饱和性与序参量.弦关联表现出三种截然不同的行为:衰减为零、单调饱和与振荡饱和.基于弦关联的以上特征,给出了量子罗盘模型的基态序参量相图.在临界区,局域磁化强度和单调奇弦序参量的临界指数β=1/8表明:相变的普适类是Ising类型.此外,保真度探测到的相变点、连续性与非连续性和序参量的结果一致.     

基于复合蜂窝结构的宽带周期与非周期声拓扑绝缘体

具有良好可重构性、良好缺陷兼容性及紧凑型的声学拓扑结构可能成为声学发展中一个有前景的方向.本文设计了一种可调谐、应用于空气声的二维宽带复合蜂窝形晶格结构,其元胞拥有两个变量:一个是中心圆的缩放参数s,另一个是"花瓣"图案围绕其质心的旋转角度q.研究发现当s为1.2, q为±33°时,在结构的布里渊区中心点出现四重简并态.在±33°两侧,能带会发生反转,体系经历拓扑相变;同时,结构的相对带隙宽带逐渐增加,其中q为0°和60°时,相对带宽分别为0.39和0.33.本研究还计算了由这两种转角的声子晶体组成的拼合结构的投影能带,发现在其体带隙中存在着边界态并验证了此拓扑边界的缺陷免疫特性.最后通过变化s,构建了一种非周期性双狄拉克锥型的声拓扑绝缘体并验证了其缺陷免疫性.本研究的体系相对带宽显著超过已知体系,将为利用声拓扑边界的声波器件微型化打下良好的基础.     

极端黑洞的熵和拓扑

文章作者提出,自然界中存在两种拓扑性质完全不同的极端黑,一种是Hawking提出的具体有极端拓扑的极端黑洞,它的熵是零;另一种极端黑洞保留了非极端黑洞的拓扑,它的熵仍然可用Bekenstein-Hawking公式描述,文章的结论解决了近年来极端黑洞研究中Hawking学派和弦理论家之间的矛盾,解决了Hawking党派观点和黑洞相变理论的矛盾。     

清华大学物理系在《科学》杂志发文 揭示拓扑诱导的磁性量子相变

清华大学物理系的研究人员与合作者在拓扑绝缘体的研究中取得重要进展,发现了磁性掺杂拓扑绝缘体中由能带拓扑量子相变而导致的磁性量子相变,相关成果发表在2013年3月29日出版的美国《科学》杂志上.文章的共同第一作者为清华大学物理系的博士研究生张金松、常翠祖和汤沛哲.该工作是由清华大学物理系王亚愚、薛其坤、段文晖     

二维声子晶体中简单旋转操作导致的拓扑相变

构建了一种简单的二维声子晶体:由两个横截面为三角形的钢柱所组成的复式元胞按三角点阵的形式排列在空气中,等效地形成了一个蜂巢点阵结构.当三角形钢柱的取向与三角点阵的高对称方向一致时,整个体系具有C_(6v)对称性.研究发现:在保持钢柱填充率不变的条件下,只需要将所有三角柱绕着自己的中心旋转180°,就可实现二重简并的p态和d态在布里渊区中心Γ点处的频率反转,且该能带反转过程实质上是一个拓扑相变过程.通过利用Γ点的P态和d态的空间旋转对称性,构造了一个赝时反演对称性,并在声学系统中实现了类似于电子系统中量子自旋霍尔效应的赝自旋态.随后通过k·p微扰法导出了Γ点附近的有效哈密顿量,并分别计算了拓扑平庸和非平庸系统的自旋陈数,揭示了能带反转和拓扑相变的内在联系.最后通过数值模拟演示了受到拓扑不变量保护的声波边界态的单向传输行为和对缺陷的背向散射抑制.文中所研究的声波体系,尽管材料普通常见,但其拓扑带隙的相对宽度超过21%,比已报道的类似体系的带隙都要宽,且工作原理涵盖从次声波到超声波的很大频率范围,从而在实际应用上具有较大的优势和潜力.     

Kitaev模型与拓扑量子相变

文章通过在一种准一维路径上引入自旋算符的约当-维格纳（Jordan—Wigner）变换，证明了Kitaev自旋模型完全等价于一个不含任何非物理自由度的自由Majorana费米子模型。通过对偶变换，进一步证明了这个系统中存在的量子相变可用非定域的拓扑序参量来描述；并且，这些非定域的拓扑序参量在对偶空间变成为定域的朗道类型的序参量。文章作者的工作揭示了传统的量子相变和拓扑量子相变的内在关系，扩展了朗道二级相变理论的适用范围。     

用户需求行为对互联网动力学整体特性的影响

由Internet构成的复杂网络的动力学特性主要受到用户需求行为的影响,具备时域的统计规律性. 通过对区域群体用户需求行为的时域实验统计分析,发现用户对Web网站的访问频度及其生成的二分网络的入度分布也呈现幂律分布和集聚现象,其幂指数介于1.7到1.8之间. 建立了虚拟资源网络VRN和物理拓扑网络PTN双层模型,分析了双层模型映射机理,并对网络用户需求行为进行建模. 虚拟资源网络VRN对物理拓扑网络PTN映射过程的不同机理,模拟了Internet资源网络到物理网络的不同影响模式. 幂律分布的用户需求特性会 关键词： 复杂网络 无标度拓扑 用户需求 相变     

外场对拓扑相变氧化物薄膜物性的调控研究进展

钙钛矿型过渡金属氧化物在外场激励下可以通过得失氧离子发生显著的结构拓扑相变,同时伴随着输运、磁性、光学等物性的巨大变化,是近年来被重点关注的研究体系,在固态氧化物燃料电池、氧气传感器、催化活性、智能光学窗口以及神经形态计算器件中具有巨大的应用前景.本工作回顾了近年来国内外研究小组在拓扑相变氧化物薄膜及其物性调控方面的工作进展,详细介绍了这类典型薄膜材料在应力场、电场、光场、温度场等外场激励下呈现出的新奇物性,并讨论了其基本物理机制.本综述旨在进一步认识此类材料中的电荷、晶格、轨道等量子序之间的微观耦合机制及其与宏观物性的关联,相关研究有望为基于功能氧化物的高灵敏度、弱场响应的电子器件提供新材料、新途径和新思路.