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Vol. 68, No. 22 (2019)

2019年11月20日

专题

拓扑物理前沿与应用

编者按:

        从凝聚态物理中的电子到经典物理系统中的光波和声波, 按意愿对粒子和波的传输进行调控, 一直是人们孜孜不倦探索和追寻的目标, 其导致了现代半导体和光电子、电声等信息产业的诞生和蓬勃发展. 然而在传统材料中, 由于存在着难以避免的缺陷和杂质, 以及由于加工制造过程引入的粗糙度等, 使得粒子与波在传输过程中产生大量的散射和损耗, 从而引入了大量的噪声和提高了功耗, 极大地制约了相关技术的应用与发展. 因而, 如何减小粒子和波在传输过程中 (特别是长程传输过程中) 的散射和损耗成为当前相关信息领域研究的一项重大挑战.

    

     全新的材料也带来了新的研究问题. 尽管钙钛矿材料的光电性能优异、进展迅速, 人们发现这类材料目前并不是完美的. 钙钛矿材料的稳定性问题给领域内研究者带来了新的挑战; 铅元素毒性问题的解决也依赖于研究者在非铅钙钛矿领域的突破; 蓝光钙钛矿 LED 较差的性能也给实现全彩钙钛矿显示的愿景蒙上了阴影. 此外, 钙钛矿中的多种物理机制目前仍不明确, 处于激烈的争论当中. 种种问题都有待于领域内研究者的充分探讨.


     拓扑材料的出现, 则为克服这一挑战提供了巨大的机遇. 从上世纪八十年代开始, 在凝聚态领域中, 人们发现一类新奇的物质相变过程,诸如 KT 相变和量子霍尔效应, 其并不满足刻画经典相变现象的对称性自发破缺理论, 甚至没有局域的序参量. 事实证明, 这些特殊的物质相变可以从量子态的拓扑结构出发去解释. 对这类相变的研究和探索, 促使了拓扑物理和拓扑材料的诞生和发展. 拓扑物理作为凝聚态领域一个新兴的研究方向, 其不仅在理论上具有诸如体边对应关系, 维度层级现象和手征反常等深刻的物理内涵, 而且存在着受拓扑保护的、无损耗和能够克服缺陷散射的边界传播态以及新奇的体输运现象. 这些新的物理效应, 为人们设计和实现突破传统技术极限的颠覆性材料打下了深刻的科学基础, 从而在光、声、电等领域有着重大应用前景. 在电子材料方面, 具有带隙的拓扑绝缘体能够实现对缺陷免疫的电荷和自旋流;而拓扑超导体中存在的受拓扑保护的马约拉纳零能模式则是实现拓扑量子计算的基础. 在光子晶体、声子晶体等人工带隙材料中, 拓扑物理也促使了诸如单向传播光、声波导, 自旋选择的能量分束器, 光、声隔离器, 拓扑激光, 拓扑路由器新型器件的设计和发明. 相比于电子材料, 人工带隙材料由于其能带结构不受费米能级的约束, 加之其灵活多变的结构可调可控性、高精度的材料加工工艺以及宏观精细测量的优越性等, 从而成为实验观测和实际应用拓扑物理的理想平台, 吸引着人们的广泛关注.


      当前, 在拓扑物理领域的研究中, 国际竞争异常激烈, 国内学者也在其中占据一席之地. 为了帮助读者们迅速和系统地了解这一领域的前沿发展, 《物理学报》组织了这期有关拓扑物理前沿与应用的专题, 邀请了部分国内活跃在这一领域的专家学者, 从电子材料、光子晶体、声子晶体、等离激元、电路系统等材料平台到理论、实验和测量手段等诸多方面, 以不同的视角综合叙述了这一领域的研究现状、前沿进展、关键问题和未来展望. 希望本专题的文章能够为国内拓扑物理领域研究的学术交流做一些微薄的贡献, 进一步促进该研究领域的发展.


客座编辑:南京大学 卢明辉;上海交通大学 贾金锋;南京大学 万贤纲;中国科学院物理研究所 钱天;清华大学 汪忠;四川大学 李志强;南方科技大学 卢海舟;北京大学 韩伟 物理学报.2019, 68(22).
 
 
专题:拓扑物理前沿与应用
专题
总论 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域
WLXB-22ML目录
2019, 68 (22): 1-5.
摘要 +
专题:拓扑物理前沿与应用
声子系统中弹性波与热输运的拓扑与非互易现象
王子, 张丹妹, 任捷
2019, 68 (22): 220302. doi: 10.7498/aps.68.20191463
摘要 +
声子是晶格集体振动模式二次量子化之后的准粒子激元. 在声子的框架下, 可以对固体中的力学、弹性波以及热现象进行统一描述. 随着对固体系统认识的提高, 声子成为补充和替代电子、光子的另一种操控固体器件的重要手段. 其中, 对声子体系中弹性波和热传导的调控在理论和应用上都具有非常巨大的价值. 弹性波作为信息载体具有构建新型芯片元件的潜力, 而调控以声子为能量载体的热则可以实现能量转化与器件优化. 该领域近些年来发展迅猛, 大量声子热二极管、弹性和热学超材料、热抽运等新奇材料与器件已经被科学家们预测并实现. 这些发展进一步得益于“拓扑”与“非互易性”概念在声子系统器件上的探究和应用.本文综述了声子体系中的拓扑和非互易性相关现象, 介绍部分最新研究成果并对发展趋势进行初步展望. 主要讨论弹性波和热传导中的拓扑和非互易性, 其中重点回顾了利用含时驱动实现的弹性波与热流的非互易传输现象. 这种动态调控手段的可调节性很大, 可广泛应用于各尺度多组分的声子弹性波与热输运体系之中.
石墨烯莫尔超晶格体系的拓扑性质及光学研究进展
吕新宇, 李志强
2019, 68 (22): 220303. doi: 10.7498/aps.68.20191317
摘要 +
当两个晶格常数或晶格转角不同的二维材料叠加在一起时会出现周期性的莫尔条纹结构, 这种莫尔超晶格形成了一个新的二维周期势, 可以大大改变原有体系的物理性质. 最近石墨烯与石墨烯、石墨烯与六方氮化硼形成的莫尔超晶格提供了一个非常有趣的体系, 在该体系中石墨烯的电子能带结构发生了根本性的改变, 在原本的能谷处产生了额外的超晶格小能带, 由此产生了十分丰富的强关联效应和拓扑效应. 本文介绍关于石墨烯莫尔超晶格体系拓扑性质的理论和实验研究进展, 主要包括双层石墨烯的畴壁拓扑态、转角双层石墨烯的小能带拓扑态、ABC堆叠三层石墨烯以及转角双层堆叠双层石墨烯的拓扑性质等, 最后介绍利用近场光学技术研究石墨烯莫尔超晶格体系的能带结构和新奇拓扑性质.
淬火动力学中的拓扑不变量
杨超, 陈澍
2019, 68 (22): 220304. doi: 10.7498/aps.68.20191410
摘要 +
本文主要介绍了近期关于一维拓扑能带系统中淬火动力学的研究. 从两能带模型入手介绍了动力学陈数, 并给出它与初末态拓扑不变量之间的关系. 进而通过将一维含时波函数看作为1 + 1维母哈密顿量的基态, 给出了Altland-Zirnbauer分类对应的动力学拓扑分类, 并简要介绍了动力学的体边对应以及空间无序和能带色散对纠缠谱交叉的影响. 最后还介绍了利用超导量子比特模拟观测到动力学陈数.
电路中的拓扑态
罗开发, 余睿
2019, 68 (22): 220305. doi: 10.7498/aps.68.20191398
摘要 +
利用凝聚态物理中紧束缚哈密顿量与集中参数电子线路中基尔霍夫方程的对应关系, 可以在电子线路中设计出种类丰富的拓扑物态. 本文详细介绍用电路实现一维SSH模型、三维结线半金属模型和外尔半金属模型的设计方案. 在上述拓扑电路中可探测到端点态、表面鼓膜态、表面费米弧等体拓扑性质对应的界面态. 由于电子线路对应的紧束缚哈密顿量中的跃迁项具有丰富的调控自由度, 如强度、距离、维度等, 容易推广到非厄密系统以及四维或更高维度的系统, 使得人们能在电路中设计和验证传统凝聚态体系中难以实现或无法实现的新物态. 此外, 电子线路具备器件功能多样、制备工艺成熟可靠等优势, 为探索新奇物态提供了一个便利的实验平台.
拓扑表面等离激元
耿逸飞, 王铸宁, 马耀光, 高飞
2019, 68 (22): 224101. doi: 10.7498/aps.68.20191085
摘要 +
集成电磁器件尺寸的小型化一直都是该领域发展的重要方向, 具有亚波长、强束缚模式特性的表面等离激元电磁模式为集成电磁器件小型化提供了有力的解决方案. 但是, 支持表面等离激元的材料或结构不可避免地会出现杂质或者结构缺陷, 从而降低表面电磁波器件的传输性能. 为了避免表面等离激元器件性能受到杂质或缺陷的影响, 具有鲁棒传输特性的拓扑表面等离激元应运而生. 本文首先回顾了光频段表面等离激元和太赫兹/微波频段人工表面等离激元的实现方案以及电磁特性, 进而重点总结了拓扑表面等离激元的几种重要设计理论, 并展望了拓扑表面等离激元的未来发展方向.
拓扑光子学研究进展
王洪飞, 解碧野, 詹鹏, 卢明辉, 陈延峰
2019, 68 (22): 224206. doi: 10.7498/aps.68.20191437
摘要 +
受凝聚态中拓扑相和拓扑相变概念的启发, 一种基于拓扑能带论的新的研究领域——拓扑光子学正在兴起, 它突破了传统基于实空间光场叠加原理和倒空间固体能带色散理论的光场调控思想, 提供了一种新颖的光场调控机制和丰富的输运和光操控性质. 例如, 背散射抑制且缺陷免疫的边界输运特性、自旋轨道依赖的选择传输特性、高维度的光场调控等. 本文将从拓扑光子体系的维度出发, 简要介绍不同维度中的拓扑模型、新奇物理现象以及相应的物理图像, 如SSH模型、光量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体、三维拓扑绝缘体等; 结合当前的研究热点, 对光子学领域的其他先进拓扑平台也进行了简要的讨论, 如高阶拓扑系统、非厄米拓扑系统、非线性拓扑系统等; 本文的最后, 对相关领域的发展现状、优势与挑战进行了相应的总结与展望.
基于蜂窝晶格声子晶体的双频带声拓扑绝缘体
贾鼎, 葛勇, 袁寿其, 孙宏祥
2019, 68 (22): 224301. doi: 10.7498/aps.68.20190951
摘要 +
基于齿轮形散射体的蜂窝晶格声子晶体, 研究设计赝自旋相关的双频带声拓扑绝缘体. 选取不同的散射体结构参数, 可以获得蜂窝晶格声子晶体的四重偶然简并狄拉克点与声拓扑相变. 利用两种不同拓扑相的蜂窝晶格声子晶体设计实现声拓扑波导结构, 并实验验证了赝自旋相关的边缘模式鲁棒性. 此外, 保持蜂窝晶格声子晶体的结构不变, 同时可以在高频区域获得四重偶然简并狄拉克点与声拓扑相变. 所设计的双频带声拓扑绝缘体在多频带声通讯与声信息处理方面具有潜在的应用前景.
高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体简介
严忠波
2019, 68 (22): 226101. doi: 10.7498/aps.68.20191101
摘要 +
近期, 高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的概念激发了广泛关注和研究兴趣. 由于新的体-边对应关系, 在同一维度高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的边界态的维度要低于一阶(或称传统)拓扑绝缘体和拓扑超导体的边界态. 本文阐述了高阶拓扑物态和一阶拓扑物态的联系. 具体展示了在同一维度上如何利用对称性的破缺从一阶拓扑物态转变为高阶拓扑物态, 以及如何利用低维的一阶拓扑物态构造高维的高阶拓扑物态; 回顾了高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的研究进展. 通过对近期的研究进展的回顾, 可以看出这一新兴领域虽然研究进展迅速, 但对电子型的高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的性质的理论研究和实验研究均处在非常初级的阶段, 要对这一新兴领域有更深更全面的理解认识还有待更多的研究投入.
二维拓扑绝缘体的扫描隧道显微镜研究
张志模, 张文号, 付英双
2019, 68 (22): 226801. doi: 10.7498/aps.68.20191631
摘要 +
拓扑物态是近年来在凝聚态科学领域快速兴起的一个分支, 其中二维拓扑绝缘体由于在基础研究和应用前景方面存在巨大潜力而受到广泛关注. 二维拓扑绝缘体具有绝缘性体态和导电性边界态, 其边界态受时间反演对称性保护, 不会被边界弱无序杂质所背散射, 从而形成无耗散的边界导电通道. 由于边界态只能沿着两个方向传播, 意味着比三维拓扑绝缘体有更少的散射通道和更强的稳定性, 对发展低能耗的集成电路意义重大. 在研究二维材料的诸多实验手段当中, 扫描隧道显微镜具有高空间与高能量分辨率测量, 能够局域地探测材料表面实空间的电子态结构, 直接探测到二维材料的边界态, 尤其适合表征其拓扑特性. 本文追溯了二维拓扑绝缘体的研究背景, 对当前广泛关注的几类研究体系, 从谱学方面详细展现一维边界态的非平庸拓扑特性. 结合理论计算证明: 一维拓扑边界态局域于材料的体能隙之内, 在晶体的边界处稳定存在, 并表现出一定的空间延展性. 最后介绍了通过结构和外场等手段对二维拓扑材料的物性进行调控, 展望了在未来自旋功能电子器件方面潜在的应用.
拓扑节线与节面金属的研究进展
王珊珊, 吴维康, 杨声远
2019, 68 (22): 227101. doi: 10.7498/aps.68.20191538
摘要 +
拓扑节线与节面金属指的是在费米能附近存在能带交叉, 并且这些交叉点在动量空间分别形成一维曲线和二维曲面的金属材料. 这种特殊的能带结构可以带来很多奇异的物理性质, 使得这两类体系在近几年得到了广泛关注. 本文着重讨论了节线与节面金属相关概念的发展, 回顾了有关的研究工作, 包括节线与节面的特征与分类以及相应材料的预测.
拓扑半金属材料角分辨光电子能谱研究进展
邓韬, 杨海峰, 张敬, 李一苇, 杨乐仙, 柳仲楷, 陈宇林
2019, 68 (22): 227102. doi: 10.7498/aps.68.20191544
摘要 +
拓扑半金属材料是具有拓扑保护的能带交叠的一类无能隙拓扑量子材料, 具备许多独特的物理性质, 是目前量子材料研究的前沿领域. 根据能带交叠的简并度和维度等不同信息, 拓扑半金属材料可以分为拓扑狄拉克半金属、拓扑外尔半金属和拓扑节线半金属等. 具有高能量、动量分辨率的角分辨光电子能谱技术(ARPES)能够解析动量空间电子结构从而直接测量拓扑半金属中的拓扑电子态, 是研究拓扑半金属材料的重要实验手段. 本文系统回顾了利用ARPES技术测量的不同类型的典型拓扑半金属的电子结构特别是特征拓扑电子态, 从而为拓扑半金属的物理起源、物性研究以及新奇拓扑半金属的探索提供了重要信息.
拓扑绝缘体中的超快电荷自旋动力学
向天, 程亮, 齐静波
2019, 68 (22): 227202. doi: 10.7498/aps.68.20191433
摘要 +
拓扑绝缘体是根据动量空间的拓扑不变量来定义的一类区别于普通绝缘体的新兴拓扑非平庸材料, 其体态和表面态分别表现为绝缘和金属性质, 并且其表面态具有独特的自旋结构(自旋-动量锁定), 因此该类材料在光电器件和自旋电子器件领域有很多潜在的应用. 由于开展这些应用研究首先需要对这类材料中的电荷与自旋动力学有全面的了解, 所以拓扑绝缘体中的非平衡物理性质的研究引起了人们极大兴趣. 本文对这一研究领域所作的研究工作做了一个较全面的描述, 特别是跟时间分辨超快光谱相关的实验工作. 并希望文中的讨论能激发研究者尤其是理论工作者对这一领域进一步的探讨, 同时期待目标研究对象也能扩展到其他拓扑材料体系.

封面文章

拓扑半金属ZrSiSe器件中面内霍尔效应的观测
韦博元, 步海军, 张帅, 宋凤麒
2019, 68 (22): 227203. doi: 10.7498/aps.68.20191501
摘要 +
拓扑半金属中的手性反常通常是用负磁阻来检测. 然而, 手性反常导致的负磁阻对磁场和电流的夹角比较敏感, 这给测量带来了挑战. 最近, 作为一种新兴实验手段, 面内霍尔效应被越来越多地应用于拓扑半金属中手性反常的探测. 本文通过将拓扑Nodal-line半金属ZrSiSe块体机械剥离制备成的介观器件, 对其面内霍尔效应进行了测量并探究其起源. 尽管测量数据与拓扑半金属中手性反常导致的面内霍尔效应理论公式拟合得很好, 但各向异性磁电阻的分析结果表明, 负磁阻并不存在. 更进一步地, 根据最近报道提出手性反常存在的判据, 在一个手性反常主导的系统中, 以磁场和电流夹角为参数的RxxRyx 关系曲线呈现为随磁场变化的一系列同心圆, 而在本文ZrSiSe器件的输运实验中, 表现为非同心圆的形式. 结合分析, 本文排除了手性反常的存在, 并推断各向异性磁电阻才是其面内霍尔效应的起因.
拓扑材料等离激元谱学研究
王冲, 邢巧霞, 谢元钢, 晏湖根
2019, 68 (22): 227801. doi: 10.7498/aps.68.20191098
摘要 +
等离激元光子学是现代光电子科学重要的组成部分. 除了传统的基于贵金属的等离激元研究, 随着新材料的快速发展, 越来越多具有新颖的等离激元性质的材料被发现. 典型的例子是具有高局域性和可调节性的石墨烯等离激元. 随着拓扑理论和实验的快速发展, 与石墨烯一样具有狄拉克线性色散的拓扑材料的等离激元光谱研究也取得了长足的进步. 本文首先介绍拓扑绝缘体和拓扑半金属的等离激元的谱学实验进展, 特别是光谱方面的进展. 随后对更多的有潜力适合二维等离激元研究的拓扑材料进行了展望.
手性声子晶体中拓扑声传输
耿治国, 彭玉桂, 沈亚西, 赵德刚, 祝雪丰
2019, 68 (22): 227802. doi: 10.7498/aps.68.20191007
摘要 +
拓扑声学丰富了声传输方式, 其拓扑性质为声波背向散射抑制. 作为纵波, 声波不存在“自旋”. 前期工作中, 携带赝自旋的拓扑声传输大多基于拓扑相反转产生的界面. 本文将四个不同结构参数的空气腔排列成左手性和右手性原胞. 在相反手性声子晶体界面处, 发现局域化拓扑保护界面态. 由于空气腔中存在声学共振, 亚波长尺寸声波传输得以实现. 研究发现, 基于手性保护的界面态有较强的鲁棒性, 不受空气腔位置和尺寸改变的影响. 手性声子晶体中, 左手性和右手性超胞之间镜像对称界面处存在奇对称和偶对称声学模式. 因此, 利用软边界和硬边界来构建镜像界面, 实现了单个晶体边缘态鲁棒传输. 本研究丰富了拓扑声学, 且其亚波长尺寸下鲁棒声传输有利于微型化声学器件的实现.
基于紧束缚模型的拓扑物理微波实验验证平台的开发
梅宇涵, 邵越, 杭志宏
2019, 68 (22): 227803. doi: 10.7498/aps.68.20191452
摘要 +
拓扑光子学、拓扑物理与光学的结合, 为凝聚态理论的验证以及新型光学器件的构建提供了新的视角. 紧束缚模型是凝聚态物理的重要研究手段. 我们发现, 将传统光子晶体的背景材料由通常的空气改为有效介电常数为负数的材料之后, 这样的光子晶体和紧束缚模型有一一对应的关系, 可以用于相关理论的验证. 通过数值仿真实验, 在蜂巢晶格负背景光子晶体结构中验证了之字形(zigzag)、胡须型(bearded)等界面态的存在性. 我们提出了两种实验构想, 以期在微波频段开发相应的凝聚态理论验证平台, 为拓扑物理的研究提供全新的工具. 我们也希望, 这些新理论的验证能为今后光学仪器的设计提供崭新思路.
拓扑半金属的红外光谱研究
许兵, 邱子阳, 杨润, 戴耀民, 邱祥冈
2019, 68 (22): 227804. doi: 10.7498/aps.68.20191510
摘要 +
拓扑半金属是一类全新的拓扑电子态, 展现出丰富而有趣的物理性质. 这类材料不仅在未来电子器件方面具有潜在的应用价值, 同时也是目前量子材料领域研究的热点和前沿. 根据在三维动量空间中能带结构特点的不同, 拓扑半金属可以分为Dirac半金属、Weyl金属和Nodal-line半金属等. 人们已经利用各种实验技术手段对这些材料的物理性质进行了系统的研究. 例如: 角分辨光电子能谱可以直接观测到Weyl半金属表面态上连接两个具有相反手性的Weyl费米子的费米弧; 软X射线的角分辨光电子能谱还可以直接观测到这些拓扑半金属体态中的Dirac点, Weyl点以及Nodal-line; 电输运测量验证了拓扑半金属中由手性反常导致的负磁阻现象; 圆偏振光产生光电流的实验证明了Weyl半金属TaAs中存在相反手性的Weyl费米子; 此外, 人们还发现Weyl半金属具有非常强的非线性效应, 主要表现为很强的二次谐波产生和THz发射效应等. 红外光谱是一种体敏感的实验手段. 该手段不仅覆盖很宽的能量范围(meV到几个eV), 而且具有很高的能量分辨率(最高可达几十个µeV量级), 因此适合研究拓扑半金属体态的电子结构以及晶格振动行为. 研究拓扑半金属材料的红外光谱学性质不仅可以帮助人们更深入理解这类材料的物理性质以及发现新的物理现象, 还可以为拓扑半金属在光学领域的研究和应用奠定基础. 本文介绍了近年来上面提到的几类拓扑半金属材料的红外光谱研究的进展情况.
声子晶体中的表面声波赝自旋模式和拓扑保护声传输
王一鹤, 张志旺, 程营, 刘晓峻
2019, 68 (22): 227805. doi: 10.7498/aps.68.20191363
摘要 +
声子晶体中声表面波的调控在表面波应用方面有重要意义, 拓扑声学理论为声子晶体表面波调控提供了新的思路. 本文通过在硬质基板上排布蜂窝状晶格的空气圆柱孔阵列实现了结构表面局域的声表面波传播, 并可在布里渊区K点上形成狄拉克锥. 基于能带折叠理论构造复合胞, 在复合胞布里渊区中心处实现了由二重简并偶极子态(p态)和四极子态(d态)组成的双狄拉克锥. 通过扩大或缩小复合胞内相邻单元的间距,可以打开双狄拉克锥, 将p态和d态分离, 形成完全带隙. 研究进一步发现, 带隙附近声压场中声能流沿顺时针或逆时针方向转动, 形成了表面声波的赝自旋态. 复合胞内单元间距的缩小到扩大可导致能带反转, 系统从平庸态转变为非平庸态, 并伴随着拓扑相的变化. 根据体态-边界态对应原则, 构造了受拓扑保护的表面声波波导, 实现了对声子晶体表面波的调控.
强三维拓扑绝缘体与磁性拓扑绝缘体的角分辨光电子能谱学研究进展
刘畅, 刘祥瑞
2019, 68 (22): 227901. doi: 10.7498/aps.68.20191450
摘要 +
拓扑材料的发现标志着凝聚态物理学和材料科学的又一次革命. 从电学属性来说, 人们不再仅仅以导电性的强弱(能隙的有无)把材料划分为导体、半导体和绝缘体, 而是进一步通过系统的整体拓扑不变量把材料划分为拓扑平庸的和拓扑不平庸的. 拓扑绝缘体是最早发现的拓扑非平庸系统, 以负能隙的体材料和无能隙的拓扑边缘态为标志. 强三维拓扑绝缘体拥有连接导带和价带的狄拉克锥拓扑表面态, 而引入铁磁性会使拓扑表面态打开一个特殊的磁性能隙. 这些新颖的材料在自旋电子学、非线性光学等广泛的领域有潜在的应用价值, 更是将来的拓扑量子计算中不可或缺的核心材料. 作为应用最广泛的一种直接观察k空间的实验手段和表面物理的重要分析工具, 角分辨光电子能谱 (ARPES) 在拓扑材料的研究中一直处于举足轻重的地位. 从拓扑绝缘体的最初发现到现在, 利用ARPES研究强三维拓扑绝缘体和磁性拓扑绝缘体的文章已数以千计, 不胜枚举. 本文试从材料分类的角度对这两类材料的部分ARPES研究作一综述, 侧重于描述利用ARPES研究此类材料的一般方法和过程, 力求使读者对这一领域的研究现状有一个基本的概念. 本文假定读者具有ARPES的基础知识, 因此对ARPES的基本原理和系统构成不作讨论.
总论
太阳电池阵二级轻气炮超高速撞击特性研究
郑建东, 牛锦超, 钟红仙, 龚自正, 曹燕
2019, 68 (22): 220201. doi: 10.7498/aps.68.20191132
摘要 +
采用二级轻气炮对航天器太阳电池阵开展了超高速撞击地面模拟试验, 研究了不同撞击位置、撞击速度、弹丸直径等工况下太阳电池阵的机械损伤特性. 试验结果显示: 地面模拟试验产生的穿孔区、玻璃盖片剥落区、裂纹扩展区等损伤形貌与在轨撞击产生的损伤形貌符合良好; 穿孔直径和玻璃盖片剥落区直径与弹丸的直径和撞击速度相关. 建立了撞击角为0°时太阳电池阵穿孔直径、玻璃盖片剥落区直径的损伤方程. 本文的研究方法对我国航天器太阳电池阵超高速撞击损伤特征研究有借鉴意义, 所建立的损伤方程对我国航天工程实践具有重要的工程应用价值.
矩阵形式的不变本征算符方法以及几种介观电路的本征频率
吴泽, 范洪义
2019, 68 (22): 220301. doi: 10.7498/aps.68.20190651
摘要 +
本文把不变本征算符方法(invariant eigen-operator, IEO方法)推广到了基于拉格朗日量的矩阵形式, 将以往计算的思路和过程用简约的矩阵形式表示出来, 这对大规模复杂多回路的介观电路的计算有着重要的意义. 此外用该方法计算了三个LC介观电路的本征频率, 包括存在互感和不存在互感的两种情形. 通过计算结果得出了这些电路的相关性质, 说明了本征频率只与介观电路本身的元件性质有关.
光子驱动量子点制冷机
李唯, 符婧, 杨贇贇, 何济洲
2019, 68 (22): 220501. doi: 10.7498/aps.68.20191091
摘要 +
提出了由两个二能级量子点、一个光子库与两个导体端构成的光子驱动量子点制冷机模型. 基于主方程, 导出了制冷机的制冷率和制冷系数的表达式, 获得了制冷机处于紧耦合时所满足的条件. 接着, 数值模拟出该制冷机处于紧耦合和一般情况下制冷率与制冷系数之间的性能特征图, 确定了制冷机性能的优化范围. 最后, 以最大制冷率、最大制冷率下的制冷系数、最大制冷系数和最大制冷系数下的制冷率作为优化目标, 分析了光子库温度、跃迁系数和温比对制冷机性能的影响.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
双凹型谐振腔结构的金属半导体纳米激光器的数值仿真
张柏富, 朱康, 武恒, 胡海峰, 沈哲, 许吉
2019, 68 (22): 224201. doi: 10.7498/aps.68.20190972
摘要 +
近年来, 金属半导体纳米激光器作为超小尺寸的光源被广泛地研究, 其在光子集成回路、片上光互连、光通信等领域具有潜在的应用价值. 随着谐振腔体积的减小, 激光器损耗也迅速增加, 这阻碍了激光器进一步的小型化. 本文提出一种基于双凹型谐振腔的金属半导体纳米激光器结构. 该结构具有圆柱形的反射端面和内凹的弯曲侧壁, 能够使谐振模式集中于腔中心并减小辐射损耗, 从而提升品质因子和降低激光器阈值. 本文利用时域有限差分方法数值计算了三种不同曲线侧壁的双凹腔性能. 数值仿真结果表明, 相比于传统胶囊型腔结构, 本文提出的双凹腔结构的品质因子提高24.8%, 激光器阈值电流降低67.5%, 能够有效提升激光器性能. 该结构在超小型金属半导体纳米激光器领域具有重要应用价值.
有源光纤中稀土离子激光上能级寿命测量的研究
刘恒, 张钧翔, 付士杰, 盛泉, 史伟, 姚建铨
2019, 68 (22): 224202. doi: 10.7498/aps.68.20190616
摘要 +
提出了一种基于脉冲光纤激光放大器能量特性测量有源光纤中稀土离子上能级寿命的方法. 根据光纤激光器速率方程, 能够确定有源光纤中反转粒子数储能随抽运功率和时间的变化关系; 实验测量不同种子光脉冲重复频率下放大器输出单脉冲能量的变化, 可以反映出反转粒子数随时间的变化情况, 进而根据理论模型得到激活离子的激光上能级寿命. 实验搭建了1.06 μm掺镱(Yb3+)光纤激光放大系统对该测量方法理论模型的合理性进行了验证, 对几种常见商用掺Yb3+有源光纤激光上能级寿命分别进行了多次测量和数据处理, 测量结果以及变化趋势与其他相关报道中的结果相符.

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微光学元件宽带光源照明下无色散边界条件探讨
黄燕燕, 张旭琳, 杨伟, 王笑冰, 雷蕾, 彭文达, 徐平
2019, 68 (22): 224203. doi: 10.7498/aps.68.20190716
摘要 +
基于宽带光源微光学元件(如集成导光板)在衍射色散方面的设计需求, 本文构建了宽带光源微光学元件衍射理论分析模型, 探讨分析了衍射光谱的色度规律特性, 提出并定义了能准确定量衡量衍射光束色散程度的色散量C, 同时明确给出了零色散的边界判据点. 通过对研制的矩形位相光栅进行测试分析, 所得的光谱色度特性规律与理论分析结果相一致, 实验结果验证了本文提出的色散度判据参量C和零色散边界点的正确性. 本文提出的宽带光源色散度判据参量C、零色散边界判据点, 不仅为集成导光板结构参数的设计提供指导, 而且也能为其他宽带微光学元件的设计过程中探讨色散特性时提供指导.
二维相敏检波器及其在调幅图像解调中应用
刘懿, 郝思忠, 田玉琳, 刘国忠
2019, 68 (22): 224204. doi: 10.7498/aps.68.20190803
摘要 +
采用二维空间调制解调技术可以提高低照度及高噪声环境条件下光电探测目标对象的能力, 本文提出了对二维空间调幅信号进行高精度检波的二维相敏检波器(two-dimensional phase-sensitive detector, 2D PSD)方法. 介绍了二维相敏检波器提取二维调幅图像中调制信号的工作原理, 并对二维相敏检波器抑制噪声、从噪声淹没的调幅图像中提取信号的能力进行了模拟仿真; 为消除屏蔽玻璃中金属丝网产生的网格调幅图像对屏蔽玻璃缺陷检测的影响, 对比分析了频域直接滤波方法、整流加滤波方法和二维相敏检波器等方法对调幅图像进行检波、提取缺陷和抑制噪声的效果. 介绍了通过外加载波和二维相敏检波方法检测普通玻璃缺陷的原理和实验结果. 模拟仿真及实际检测结果表明二维相敏检波方法可用于空间二维调幅图像解调, 大大提高输出图像的信噪比, 具有提取淹没在噪声中的调幅图像中调制信号的能力, 提高检测精度.
半导体激光器储备池计算系统的工作点选取方法
花飞, 方捻, 王陆唐
2019, 68 (22): 224205. doi: 10.7498/aps.68.20191039
摘要 +
半导体激光器储备池计算系统的性能受很多因素的影响, 如虚节点间隔、激光器的偏置电流和反馈强度等. 对于光注入信号方式, 注入强度和频率失谐的大小也会影响系统的性能, 使得工作点更难确定. 为此, 本文以10阶非线性自回归移动平均任务为基础, 提出一种选取半导体激光器储备池计算系统的最佳反馈强度与注入强度的方法. 该方法通过寻找在某一反馈强度和连续光注入条件下, 对应于储备池的注入锁定状态的最小注入强度来确定注入锁定状态的边缘; 沿此边缘, 通过测试系统性能选取最佳反馈强度以及与之配套的注入强度. 综合前人对其他参数的研究, 进一步提出完整工作点参数的选取方法. 在所选取的工作点参数下, 仅用50个虚节点即获得低至0.3431的归一化均方根误差, 说明所提出的工作点选取方法是可行的. 通过混沌时间序列预测和手写数字识别任务, 验证了该方法对回归和分类问题的通用性.

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压力梯度对壁面局部吹吸边界层感受性的影响研究
陆昌根, 沈露予, 朱晓清
2019, 68 (22): 224701. doi: 10.7498/aps.68.20190684
摘要 +
边界层感受性是层流向湍流转捩的初始阶段, 是实现边界层转捩预测和控制的关键环节. 研究结果表明, 边界层感受性问题不仅受到不同自由来流扰动条件, 壁面局部粗糙和局部吹吸的几何大小、形状和位置等参数的影响之外, 还受到一个重要参数压力梯度的作用. 因此, 本文数值研究在自由来流湍流分别与壁面局部吹入和吸出相互作用下压力梯度在激发边界层感受性过程起什么样的关键性作用, 从而揭示不同压力梯度对壁面局部吹入或吸出边界层内被激发出T-S波波包以及T-S波波包向前传播群速度的影响; 分别讨论逆压力梯度、顺压力梯度对边界层内被激发出的T-S波模态是起到加速增长的作用还是遏制增长的作用; 详细分析不同压力梯度对边界层内被激发出的T-S波的幅值、增长率、波长或波数、相速度以及特征形状函数的影响等. 这一问题的深入研究将为工程实践中各种叶片流体机械的设计和性能改善提供理论参考.
宏观速度对适应系数的影响规律研究
张烨, 张冉, 赖剑奇, 李桦
2019, 68 (22): 224702. doi: 10.7498/aps.68.20190987
摘要 +
适应系数是稀薄气体动力学中的重要参数, 反映了气体分子与固体表面的动量和能量适应程度, 常常用于稀薄气体数值模拟的边界条件中. 本文构建了单个气体分子Ar与金属Pt表面相互作用的物理模型, 通过Phontom模型来构造固体壁面以反映真实物理特性. 采用分子动力学方法模拟了气体分子在固体表面的碰撞过程, 通过速度抽样使得入射气体具有宏观速度特征, 根据入射前和反射后气体分子的平均动量和能量计算出切向动量适应系数、法向动量适应系数和能量适应系数, 分别在光滑和粗糙表面下分析了适应系数随宏观切向速度和宏观法向速度的变化规律. 结果显示, 适应系数对于气体的宏观速度和表面粗糙度均表现出了很强的相关性. 切向速度的增大使得气体分子与表面的作用时间缩短, 适应系数减小, 对于气固适应有消极的作用. 当切向速度较大时会发生动量由切向向法向转移的情况. 法向速度的增大对于光滑表面而言有助于气体分子与表面的动量和能量适应, 对于粗糙表面而言却呈现相反的规律.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
聚乙烯陷阱特性对真空直流沿面闪络性能的影响
聂永杰, 赵现平, 李盛涛
2019, 68 (22): 227201. doi: 10.7498/aps.68.20190741
摘要 +
本文在低密度聚乙烯(LDPE)中添加成核剂酚酞, 研究半结晶聚合物的结晶行为、显微结构、陷阱参数以及真空直流沿面闪络性能之间的关联. 显微红外测试结果表明, 酚酞存在于LDPE基体中. 扫描电镜及差式扫描量热测试结果表明, 酚酞掺杂明显改变了LDPE的结晶行为及显微结构, 增加了结晶度及片晶厚度, 减小了球晶尺寸, 并使球晶分布更加均匀. 热刺激电流结果表明, 酚酞掺杂在低密度聚乙烯中引入了更多的深陷阱, 随酚酞浓度增加, α陷阱深度从0.81 eV增加到0.99 eV, γ陷阱深度从0.19 eV增加到0.65 eV. 分析LDPE结晶行为与陷阱参数之间的关系表明, LDPE的陷阱深度随球晶尺寸减小而增大, 陷阱密度随结晶度增大而减小. 酚酞改性后试样的真空沿面闪络电压整体有所提升, 最高提升了48.42%. 分析陷阱深度及陷阱密度与闪络电压之间的“U”型关系表明, 陷阱深度及陷阱密度在影响闪络性能过程中起着相互协调、配合及转化的作用.

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HgTe/CdTe量子阱中自旋拓扑态的退相干效应
闫婕, 魏苗苗, 邢燕霞
2019, 68 (22): 227301. doi: 10.7498/aps.68.20191072
摘要 +
$0.25\;h/e^{2}$的特殊的量子化平台是判别量子自旋霍尔效应的有力证据. 本文基于二维HgTe/CdTe量子阱模型, 利用非平衡格林函数理论及Landauer-Büttiker公式计算非局域电阻, 进而研究自旋拓扑态在非静态杂质作用下的退相干效应. 计算同时考虑磁交换场和磁场的影响. 研究发现, 尽管磁交换场和外磁场会破坏时间反演对称性, 但它们都仅改变拓扑带隙的宽度和相对位置, 并不影响螺旋边缘态的拓扑性. 而退相干杂质对自旋拓扑边缘态的影响则完全不同于铁磁和弱磁场. 退相干效应不会影响拓扑带隙的位置和宽度, 但是会影响拓扑边缘态的稳定性. 其中, 自旋不守恒的退相干杂质对螺旋边缘态的影响更为明显, 轻微的退相干效应便会引起自旋翻转, 从而引起自旋相反的背散射, 最终破坏自旋霍尔边缘态.">HgTe/CdTe量子阱是一种特殊的二维拓扑材料, 其中的量子自旋霍尔效应在自旋电子器件应用方面极有潜力. “工”字形四端口体系纵向非局域电阻阻值为$0.25\;h/e^{2}$的特殊的量子化平台是判别量子自旋霍尔效应的有力证据. 本文基于二维HgTe/CdTe量子阱模型, 利用非平衡格林函数理论及Landauer-Büttiker公式计算非局域电阻, 进而研究自旋拓扑态在非静态杂质作用下的退相干效应. 计算同时考虑磁交换场和磁场的影响. 研究发现, 尽管磁交换场和外磁场会破坏时间反演对称性, 但它们都仅改变拓扑带隙的宽度和相对位置, 并不影响螺旋边缘态的拓扑性. 而退相干杂质对自旋拓扑边缘态的影响则完全不同于铁磁和弱磁场. 退相干效应不会影响拓扑带隙的位置和宽度, 但是会影响拓扑边缘态的稳定性. 其中, 自旋不守恒的退相干杂质对螺旋边缘态的影响更为明显, 轻微的退相干效应便会引起自旋翻转, 从而引起自旋相反的背散射, 最终破坏自旋霍尔边缘态.
铌酸锶钡陶瓷中氧空位对离子电导率和弛豫现象的影响
汤卉, 唐新桂, 蒋艳平, 刘秋香, 李文华
2019, 68 (22): 227701. doi: 10.7498/aps.68.20190562
摘要 +
由于铅对环境存在各种危害, 无铅铁电功能陶瓷的研究是当前研究热点之一. 弛豫铁电体因具有较低的容温变化率和大的电致伸缩系数, 在陶瓷电容器材料中占据重要地位. 且无铅功能陶瓷在高温介电行为和阻抗的分析研究工作对功能陶瓷在高温下的适用具有重要的指导意义. SrxBa1–xNb2O6陶瓷采用传统的高温固相反应法制备而成, 并系统地研究了SrxBa1–xNb2O6陶瓷的介温特性和阻抗. 值得注意的是, 铌酸锶钡的高温弛豫尚未研究报导. 结果显示, 锶在陶瓷中组分比例的增加会使铁电相转变为顺电的相变温度降低. 此外, 通过计算, x = 0.6的铌酸锶钡陶瓷的弥散相变参数γ = 1.94, 表明x = 0.6的铌酸锶钡陶瓷在低温下接近理想的弛豫铁电体. 另外, 阻抗分析数据显示陶瓷存在热激活弛豫现象. 最后, 利用阿伦尼乌斯定律从阻抗和介电数据中计算出了电导活化能和弛豫活化能. 计算结果证明, 氧空位引起的离子跳跃在高温介电弛豫过程中发挥了关键作用.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
烷烃链长对直链烷烃液体膜摩擦性质的影响
张兆慧, 于晓东, 李海鹏, 韩奎
2019, 68 (22): 228101. doi: 10.7498/aps.68.20190740
摘要 +
采用分子动力学方法, 模拟了两块金[111]基板及其间由不同链长的直链烷烃CnH2n + 2 (n = 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18)组成的7种纯液体膜及6种混合分子液体膜的摩擦行为, 分析了分子链长对薄膜摩擦性质的影响以及滑动过程中的膜的结构变化机制. 结果表明: 在纯液体膜中, 十六烷液体膜的摩擦力最大; 碳原子数 n > 8时, 液体膜摩擦性质随着分子链长的增加而保持稳定. 在C6H14与CnH2n + 2的1∶1混合液体膜中, 己烷与十二烷混合液体膜的摩擦最大; 当长链分子CnH2n + 2的碳原子数n > 12时, 混合膜的摩擦性质较为稳定; 烷烃分子的碳原子数n > 10时, 加入短链分子会增强膜的摩擦. 滑动过程中在基板表面附近形成的多层高致密性分层是降低摩擦的主要原因, 单层或无分层结构导致较高摩擦. 液体膜与基板间相互作用对摩擦有贡献, 摩擦力主要来自膜内粘滞作用.
基于三维离散元方法探究奥克托今颗粒落锤撞击点火机理
蒋城露, 王昂, 赵锋, 尚海林, 张明建, 刘福生, 刘其军
2019, 68 (22): 228301. doi: 10.7498/aps.68.20190993
摘要 +
炸药颗粒的冲击点火机理一直是人们关注并不断研究的课题, 但是迄今为止进展缓慢. 随着计算技术的高速发展, 三维离散元方法(three-dimensional discrete meso-element method, DM3)被认为是一种高效且直观的研究炸药冲击点火的有效手段. 本文基于三维离散元方法对奥克托今(HMX)颗粒在落锤撞击条件下的撞击变形和升温点火进行了研究, 模拟计算表明, 炸药的颗粒尺寸、堆积程度、内部缺陷以及落锤的冲击力大小都将影响HMX颗粒的升温点火和燃烧蔓延. 同时, 基于以上结果, 本文提出了尖顶变形加热点火机制以及平顶颗粒剪切加热机制. 特别地, 含内部缺陷的HMX颗粒在冲击条件下将出现两种情况: 尺寸较大的颗粒在孔洞处出现温度优势, 颗粒尺寸较小的温度优势出现在尖顶位置.
忆容器多谐振荡器及其实验
顾梅园, 刘敬彪, 王光义, 梁燕, 李付鹏
2019, 68 (22): 228401. doi: 10.7498/aps.68.20190849
摘要 +
忆容器是一种具有记忆性的非线性电容, 为研究忆容器的电路特性, 提出了一种压控型忆容器的二次曲线模型, 利用电流反馈型运放等器件构建了能够动态模拟忆容器q-v特性的仿真器. 通过仿真和实验观测到忆容器的滞回曲线, 以及随外加激励频率增加而收缩的特性. 分析了周期性激励信号的参数对忆容值取值范围的影响, 并对忆容器的非易失性和平衡点的稳定性进行了研究. 基于该忆容仿真器设计了一种多谐振荡器, 分析了振荡器的工作原理, 对振荡器的输出电压、忆容器的端电压、忆容器的磁通和电荷, 以及忆容器的滞回曲线进行了测试. 通过实验中观测到的各种振荡波形, 分析了振荡器的频率、占空比以及忆容器的非线性特性随电路参数变化的规律.
氮化物子带跃迁探测器材料结构对器件效率的影响
康健彬, 李倩, 李沫
2019, 68 (22): 228501. doi: 10.7498/aps.68.20190722
摘要 +
氮化物子带跃迁探测器具备在近红外通讯波段高速工作和在太赫兹波段室温工作的潜力, 但材料强的极化作用容易造成器件效率降低. 本文分别针对工作于上述波段的典型器件, 理论分析了材料结构参数对器件能带结构、载流子浓度分布、极化效应以及光生载流子隧穿的影响. 近红外波段器件以光伏型器件结构为基础, 研究发现增加量子势阱的周期数、增大势阱掺杂浓度、以及保持接触层材料晶格常数与超晶格有源区平均晶格常数相同, 有助于增加基态能级上被载流子填充的量子势阱数, 从而增强器件的吸收效率. 太赫兹波段器件以双台阶器件结构为基础, 研究表明器件设计时即使任意调节势阱层和势垒层厚度, 也不会改变影响光生载流子传输的势垒层极化电场分布. 同时, 降低台阶势垒层铝组分和适当增加其厚度可以提高光生载流子隧穿通过台阶势垒层的效率. 本文仿真结果对于设计优化的氮化物子带跃迁探测器材料结构、提升器件性能具有指导意义.