拓扑量子输运和器件
2023, 72 (17): 177101.
doi: 10.7498/aps.72.20230634
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电子空穴在库仑相互作用下会发生从半金属态到激子基态的相变, 在费米面附近自发打开能隙, 该基态被称为激子绝缘体. 该物态在凝聚态物理领域吸引了广泛的关注, 相关的实验证据一直在寻找中. 近年来, 在浅反转InAs/GaSb量子阱中, 激子绝缘体的光学能谱和输运特征首先被观察到, 证实了激子绝缘体在二维体系中的存在. 令人意外的是, 在这一激子绝缘态中, 电学输运测量探测到了对磁场和温度不敏感的一维类螺旋拓扑边缘态. 这一观察到的激子基态很难用现有的单粒子理论进行解释, 被称为拓扑激子绝缘体. 本文系统回顾了在该量子阱中针对拓扑激子绝缘体的实验研究, 包括电学输运、太赫兹透射谱、电容测量等. 这些实验结果综合表征了拓扑激子绝缘体的体态与边缘态性质. 拓扑激子绝缘体作为一个由玻色子构成的基态, 在极限条件下有望相变为具有宏观相干性的玻色爱因斯坦凝聚态, 为研究低维电子相互作用提供新的平台.
2023, 72 (17): 177103.
doi: 10.7498/aps.72.20230995
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近年来, 磁性拓扑材料特别是磁性Weyl半金属越来越多地被发现, 为研究拓扑输运行为提供了重要载体. 磁性拓扑半金属材料具有动量空间的强贝利曲率, 显著增强了电子的常规横向输运行为, 也使得曾经被忽略或无法观测的输运效应逐渐浮现出来, 导致当前广泛采用的经典输运方程不能准确地描述磁性拓扑电子的输运行为. 本文从半经典输运方程出发, 介绍磁性拓扑材料中新近出现的非常规电输运行为, 内容涉及化学掺杂、磁场调制拓扑电子态、贝利曲率相关的线性正磁电阻及磁场线性依赖的输运行为. 这些行为为磁性与拓扑相互作用下的电输运行为提供新的理解和思考. 最后, 对非常规电输运的发展进行总结和展望.
2023, 72 (17): 177301.
doi: 10.7498/aps.72.20230690
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磁性拓扑绝缘体是过去十年里凝聚态物理学领域的一个重要研究方向, 其拓扑非平庸能带结构与自旋、轨道、电荷、维度等自由度之间的相互作用可以产生丰富的拓扑量子物态和拓扑相变现象. 对磁性拓扑绝缘体输运性质的研究是探索其新奇物性的重要手段, 对于深入理解拓扑量子物态以及开发新型低功耗电子学器件具有重要意义. 本文回顾了近年来磁性拓扑绝缘体输运实验方面的重要研究进展, 包括磁性掺杂拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应和拓扑量子相变现象、本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4中的量子反常霍尔相、轴子绝缘体相和陈绝缘体相, 以及在脉冲强磁场下陈绝缘体演化出的螺旋式拓扑物态. 最后, 本文对未来磁性拓扑绝缘体研究的方向和该体系中尚未充分理解的输运现象进行了分析和展望.
2023, 72 (17): 177302.
doi: 10.7498/aps.72.20230698
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三维拓扑绝缘体因其独特的物性备受研究人员关注, 而拓扑表面态的输运是探索其新奇物性的重要手段. 其中, 拓扑表面态的量子霍尔效应则是拓扑绝缘体输运研究的一个重要内容. 本文简要回顾了拓扑绝缘体中量子霍尔效应的实现与发展. 比较了拓扑表面态量子霍尔效应与其他体系的差别, 讨论了其材料体系的发展, 并介绍了其中的标度律行为. 之后详细回顾了实验上对拓扑表面态量子霍尔效应磁性近邻与栅压调控等方面的研究. 最后, 展望了拓扑绝缘体中量子霍尔态的研究前景, 希望能促进拓扑绝缘体的应用.
2023, 72 (17): 177303.
doi: 10.7498/aps.72.20230672
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狄拉克量子材料具有独特的电子结构, 可以用无质量和有质量的狄拉克方程描述. 从奇异的量子流体到晶体材料的多种系统均已发现了狄拉克量子材料. 由于其拓扑非平庸的能带结构, 狄拉克量子材料表现出丰富有趣的输运现象, 包括纵向负磁阻、量子干涉效应和螺旋磁效应等. 本文介绍狄拉克量子材料输运理论最新进展, 总结了基于狄拉克方程的相关量子输运理论和量子反常效应, 重点关注有质量的狄拉克费米子和量子反常半金属, 介绍了半磁拓扑绝缘体中宇称反常和半整数量子霍尔效应的实现.
2023, 72 (17): 177401.
doi: 10.7498/aps.72.20230951
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理论预言拓扑超导体能够承载服从非阿贝尔统计的伊辛任意子—马约拉纳零能模, 因而可用于实现容错的拓扑量子计算, 是凝聚态领域最受关注的前沿课题之一. 本文重点回顾了电学输运手段在研究马约拉纳零能模中的应用. 在简要介绍拓扑超导、马约拉纳零能模和非阿贝尔统计等基本概念的基础上, 对当前实现拓扑超导的多种方案进行了总结. 重点介绍了利用低温输运手段探测马约拉纳零能模的实验方法, 涵盖了超导/纳米线中广泛使用的电子隧穿谱、库仑阻塞谱和非局域电导探测, 以及约瑟夫森器件中使用的(逆)交流约瑟夫森效应探测和电流(能量)相位关系的探测. 同时, 对利用上述测量手段得到的实验结果可能存在的平庸解释进行了必要的补充和说明. 最后对马约拉纳零能模的输运探测进行了总结与展望.
2023, 72 (17): 177202.
doi: 10.7498/aps.72.20230811
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拓扑节线半金属指的是电子的导带和价带在倒空间相交于一维的环或者线, 其体能带拓扑体现在节线携带π的贝里相位. 根据体边对应原理, 在系统边界存在色散较弱的表面态, 由节线在表面布里渊区的投影所包围, 称为鼓面态. 大部分节线半金属中, 自旋-轨道耦合效应较弱, 因此在单粒子图像下表面态不存在自旋构型. 与此同时, 鼓面态特有的弱散射也使得其中的电子间相互作用效应变得显著, 并诱发铁磁失稳使得自旋简并的表面态发生自旋劈裂. 本文考虑自旋简并的节线半金属中铁磁表面态导致的自旋相关散射, 发现自旋劈裂的两个鼓面态均会导致共振的自旋翻转反射, 该物理过程体现为自旋电导谱中的双峰结构. 具体地, 分别用散射矩阵和格林函数理论处理了普通金属和节线半金属异质结中表面态导致的散射问题, 得到一致的结论. 本文的工作指出了自旋简并节线半金属表面态依旧可以导致自旋相关输运, 这为其输运探测和在自旋电子中的应用提供了新的思路.
2023, 72 (8): 087401.
doi: 10.7498/aps.72.20230397
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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.
