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反铁磁轴子绝缘体候选材料EuIn2As2的表面原子排布和电子结构
李渊, 邓翰宾, 王翠香, 李帅帅, 刘立民, 朱长江, 贾可, 孙英开, 杜鑫, 于鑫, 关童, 武睿, 张书源, 石友国, 毛寒青
2021, 70 (18): 186801. doi: 10.7498/aps.70.20210783
摘要 +
$ 1\times 2 $表面重构. 通过条纹面的局域态密度测量, 发现4 K时费米能附近态密度存在非对称的谷-峰特征, 该特征随温度升高逐渐变弱, 在反铁磁相变温度以上完全消失, 表明其与反铁磁序密切相关. 此外, 在某些台阶附近, 伴随有少量迷宫状的结构, 进一步分析认为可能是Eu原子形成的翘曲结构导致的. 这些结果为理解EuIn2As2的表面能带结构和拓扑性质提供了重要信息.">非平庸的能带拓扑性与磁性结合可以产生丰富的量子现象, 包括量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等. 不同于磁性掺杂和异质结方案, 内禀磁性拓扑绝缘体避免了掺杂带来的无序, 且制备工艺通常比异质结更加简单, 因此对研究和利用磁性拓扑绝缘体都有重要的意义. 最近, EuIn2As2被认为是内禀反铁磁轴子绝缘体, 本文使用低温扫描隧道显微镜研究了它的解理表面的原子排布和电子结构. 结合原子分辨形貌图、晶格对称性分析以及局域态密度等信息, 认为观测到的表面条纹结构来源于Eu截止面50%覆盖度的$ 1\times 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EuIn2As2的表面能带结构和拓扑性质提供了重要信息.

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基于超表面的多波束多模态太赫兹涡旋波产生
李国强, 施宏宇, 刘康, 李博林, 衣建甲, 张安学, 徐卓
2021, 70 (18): 188701. doi: 10.7498/aps.70.20210897
摘要 +
太赫兹涡旋波束可以被用于高速通信及高分辨率成像, 其产生方式近年来受到了越来越多的关注. 本文提出了一种反射型超表面, 它可以在太赫兹频段产生四种不同模态的涡旋波束. 超表面单元结构基于几何相位原理, 由三层结构组成, 上下两层为金属结构, 中间层为介质, 其上层金属结构由圆环及椭圆贴片构成. 利用几何相位对圆极化波的调控作用, 可以实现由线极化波到圆极化波的分解, 并实现对不同圆极化波的灵活调控. 为了同时调控反射波的偏转方向, 本文利用平面反射阵列原理来计算每个超表面单元所需的相位补偿. 通过相位叠加原理, 在不同传播方向的波束中叠加不同模态的轨道角动量, 较好地实现了太赫兹频段复杂波束的调控效果. 仿真及测试结果表明设计的超表面能够在太赫兹频段产生带有 ± 1和 ± 2模态的4个波束, 在无线通信及高分辨率成像等方面有潜在应用价值.

青年科学评述

  

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面向先进光源线站等大科学装置的低温X射线能谱仪原理及应用进展
张硕, 崔伟, 金海, 陈六彪, 王俊杰, 伍文涛, 吴秉骏, 夏经铠, 宋艳汝, 杨瑾屏, 翁祖谦, 刘志
2021, 70 (18): 180702. doi: 10.7498/aps.70.20210350
摘要 +
低温X射线能谱仪兼具高能量分辨率、高探测效率、低噪声、无死层等特点, 能量分辨率与X射线入射方向无关, 在暗弱的弥散X射线能谱测量方面具有明显优势. 基于同步辐射及自由电子激光的先进光源线站、加速器、高电荷态离子阱、空间X射线卫星这类大科学装置的快速发展对X射线探测器提出了更高要求, 因而低温X射线能谱仪被逐步引入到APS, NSLS, LCLS-II, Spring-8, SSNL, ATHENA, HUBS等大科学装置与能谱测量相关科学研究中. 本文从低温X射线能谱仪的工作原理及分类、能谱仪系统结构、主要性能指标以及国内外大科学装置研究现状及发展趋势等方面作简要综述.

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声子晶体板中的第二类狄拉克点和边缘传输
骆全斌, 黄学勤, 邓伟胤, 吴迎, 陆久阳, 刘正猷
2021, 70 (18): 184302. doi: 10.7498/aps.70.20210712
摘要 +
在弹性板波体系中设计了一种具有第二类狄拉克点的声子晶体板. 不同于第一类狄拉克点, 第二类狄拉克点附近的色散具有大的倾斜, 以致于等频面的几何形状由点状变成交叉的线状. 微调结构的几何参数破缺该镜面对称性, 可打开第二类狄拉克点简并, 实现体系的能带反转. 能带反转前后的二维声子晶体板属于不同的能谷拓扑相, 不同拓扑相之间存在无带隙的拓扑保护界面态. 不仅如此, 由于弹性板波界面态的特殊应力分布, 单一能谷相声子晶体板的边界上同样支持无带隙的弹性波传输. 本文拓展类石墨烯体系中的二维狄拉克点和能谷态到第二类情形中, 在同一结构中获得了界面和边界上的弹性波无带隙边缘传输. 由于结构设计简单, 可在微小尺寸下加工获得, 为高频弹性波器件的设计和构造提供了可行的途径.

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转角双层石墨烯在应变下的光电导率
蔡潇潇, 罗国语, 李志强, 贺言
2021, 70 (18): 187301. doi: 10.7498/aps.70.20210110
摘要 +
理论研究了转角双层石墨烯在施加不同单轴应变下的能带结构和光电导率, 用连续模型分别计算了转角为1.05°和1.47°的转角双层石墨烯在应变下的能带、态密度以及光电导率, 发现这些量随应变的变化是连续且显著的. 通过对能带的分析以及光电导率的测量能够获得应变对平带产生的实际影响, 这为今后实验对应变与平带的研究打下基础; 此外样品往往受到具有空间不均匀性的应变作用, 测量其局域的光电导率便能够估计应变的空间分布大小; 同时应变对能带的调制为原位调控转角双层石墨烯的强关联、拓扑以及量子效应提供了思路.

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基于介电常数近零模式与间隙表面等离激元强耦合的增强非线性光学效应
郭绮琪, 陈溢杭
2021, 70 (18): 187303. doi: 10.7498/aps.70.20210290
摘要 +
非线性光学效应在光通信、光探测、量子信息等领域发挥着举足轻重的作用, 然而天然材料的光学非线性响应通常很弱. 本文利用氧化铟锡(ITO)薄膜激发的介电常数近零模式, 与金属-介质-金属结构激发的间隙表面等离激元发生强耦合, 在近红外波段实现宽带(约1000 nm)的增强非线性光学效应, 其非线性折射率n 2的最大值可达3.02 cm2/GW, 与之前报道的单层ITO薄膜的非线性折射率相比, 增大了接近3个数量级. 因此, 可在低功率光照下得到显著的折射率变化, 可望应用于全光存储、全光开关等纳米光子器件的设计.

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谐振子势阱中双费米原子光钟的碰撞频移
陈泽锐, 刘光存, 俞振华
2021, 70 (18): 180602. doi: 10.7498/aps.70.20210243
摘要 +
原子钟提供了时间的标准, 但原子间的相互作用往往限制原子钟的精度. 本文理论研究了谐振子势阱中双费米原子光钟由于原子间的短程相互作用而在拉比频谱中引起的碰撞频移. 考虑到原子光钟中短程相互作用一般较弱, 并且晶格光的参数在Lamb-Dicke区间中, 本文近似费米原子的外态不发生改变, 进而推导出原子内态在拉比探测光驱动下满足的运动方程. 微扰求解运动方程, 得到一阶解的解析表达式, 从而得到了拉比频谱的碰撞频移依赖于拉比探测光参数与在原子特定外态中相互作用的表达式. 最后, 利用谐振子势阱中格林函数的解析表达式, 得到了有限温下碰撞频移与原子间相互作用的关系. 研究结果表明, 实验中可以通过精密测量原子光钟的频移获得原子间相互作用的信息.

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Si微/纳米带的制备与热电性能
魏江涛, 杨亮亮, 魏磊, 秦源浩, 宋培帅, 张明亮, 杨富华, 王晓东
2021, 70 (18): 187304. doi: 10.7498/aps.70.20210801
摘要 +
目前, 低维材料是热电领域研究的热点, 因为块体材料低维化后热电性能会得到显著的改善. 块体材料低维化有很多方法, 本文基于半导体微加工和聚焦离子束技术制备了尺寸可控的Si微/纳米带, 并通过微悬空结构详细研究了不同尺寸Si微/纳米带的热电性能. 实验发现: 随着Si微/纳米带宽度的减小, 材料的热导率发生了显著的降低, 从体硅的148 W/(m·K)降低到17.75 W/(m·K)(800 nm); 材料的Seebeck系数低于相应的体Si值. 热导率的降低主要来源于声子边界散射的增加, 这显著抑制了Si材料中声子的传输行为, 从而影响热能的传输和转换. 在373 K时, 800 nm宽的Si微/纳米带的ZT值约达到了0.056, 与体硅相比增大了约6倍. 聚焦离子束加工技术为将来Si材料提高热电性能提供了新的制备方案, 这种技术也可以应用于其他材料低维化的制备.

封面文章

磁场中HD分子振转跃迁的超精细结构
唐家栋, 刘乾昊, 程存峰, 胡水明
2021, 70 (17): 170301. doi: 10.7498/aps.70.20210512
摘要 +
HD分子红外跃迁的精密测量被用以检验量子电动力学、确定质子-电子质量比等. 但HD分子的超精细结构分裂对于测量精度是一个很重要的限制因素, 并可能是实验中测得ν = 2—0谱带跃迁呈特殊线型的原因之一. 本文分别在耦合表象和非耦合表象下计算了HD分子振转跃迁的超精细结构, 并计算了不同外加磁场下HD分子(2–0)带中R(0), P(1), R(1)线的超精细结构, 模拟了10 K低温下对应的光谱结构. 结果表明, HD分子跃迁结构可随磁场发生明显变化. 这可能有助于分析HD分子跃迁特异线型产生的机制, 进一步获得其准确的跃迁中心频率, 用于基础物理学检验.

特邀综述

  

特邀综述

凝聚态体系中激发态载流子动力学研究
郑镇法, 蒋翔, 褚维斌, 张丽丽, 郭宏礼, 赵传寓, 王亚南, 王傲雷, 郑奇靖, 赵瑾
2021, 70 (17): 177101. doi: 10.7498/aps.70.20210626
摘要 +
激发态动力学是凝聚态物理中至关重要且富有挑战的科学问题, 不仅需要从时间、空间、能量和动量等多个维度来描述, 同时还需要考虑各种准粒子的相互作用以及多体效应. 本文聚焦凝聚态体系激发态动力学的理论和应用研究, 结合含时密度泛函、GW-BSE与面跳跃方法, 发展了激发态动力学第一性原理计算软件Hefei-NAMD, 构建了可以同时从时间、空间、动量、能量、自旋等多个维度研究凝聚态体系激发态动力学的理论和程序框架, 并实现了自旋分辨的GW+ real-time BSE(GW+rtBSE)激子动力学. 利用这套方法, 研究了凝聚态体系激发态动力学的许多问题, 包括界面电荷转移动力学、电子空穴复合动力学以及二维TMD材料的谷激子动力学等. 这些研究从第一性原理计算的角度, 模拟激发态载流子在实空间、能量空间和动量空间的含时演化, 为凝聚态体系的激发态动力学及准粒子耦合过程提供了深刻细致的理解.
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