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.
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.
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.
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.
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.
2019, 68 (22): 224101.
doi: 10.7498/aps.68.20191085
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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.
2019, 68 (22): 224206.
doi: 10.7498/aps.68.20191437
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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.
2019, 68 (22): 224301.
doi: 10.7498/aps.68.20190951
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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.
2019, 68 (22): 226101.
doi: 10.7498/aps.68.20191101
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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.
2019, 68 (22): 226801.
doi: 10.7498/aps.68.20191631
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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.
2019, 68 (22): 227101.
doi: 10.7498/aps.68.20191538
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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.
2019, 68 (22): 227102.
doi: 10.7498/aps.68.20191544
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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.
2019, 68 (22): 227202.
doi: 10.7498/aps.68.20191433
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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.
2019, 68 (22): 227203.
doi: 10.7498/aps.68.20191501
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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Rxx – Ryx 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.
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.
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.
2019, 68 (22): 227803.
doi: 10.7498/aps.68.20191452
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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.
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.
2019, 68 (22): 227805.
doi: 10.7498/aps.68.20191363
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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
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.
2020, 69 (7): 077102.
doi: 10.7498/aps.69.20200197
摘要 +
在有对称性保护的条件下, 拓扑能带绝缘体等自由费米子体系的拓扑不变量可以在能带结构计算中得到. 但是, 为了得到强关联拓扑物质态的拓扑不变量, 我们需要全新的理论思路. 最典型的例子就是分数量子霍尔效应: 其低能有效物理一般可以用Chern-Simons拓扑规范场论来计算得到; 霍尔电导的量子化平台蕴含着十分丰富的强关联物理. 本文将讨论存在于玻色和自旋模型中的三大类强关联拓扑物质态: 本征拓扑序、对称保护拓扑态和对称富化拓扑态. 第一类无需考虑对称性, 后两者需要考虑对称性. 理论上, 规范场论是一种非常有效的研究方法. 本文将简要回顾用规范场论来研究强关联拓扑物质态的一些研究进展. 具体内容集中在“投影构造理论”、“低能有效理论”、“拓扑响应理论”三个方面.
2020, 69 (7): 077303.
doi: 10.7498/aps.69.20200177
摘要 +
Majorana准粒子是凝聚态物理版本的Majorana费米子. 由于Majorana准粒子间的交换操作服从非阿贝尔统计, 并基于此可构建更稳定的量子计算机, 近年来在凝聚态物理界引起广泛关注. 为帮助初学者快速理解Majorana准粒子的形成机理, 本文回顾了在一维超导体-半导体异质纳米线系统中Majorana准粒子模型的提出和理论演化过程, 介绍Kitaev链模型并分析了模型中各要素所起的作用. 还介绍了典型Majorana器件的构成和测量方法, 并结合最新的实验进展对探测到的零能电导峰进行了分析和述评. 最后对超越一维系统的超导体-半导体异质系统的实验前景进行了展望.
2020, 69 (7): 077801.
doi: 10.7498/aps.69.20191816
摘要 +
拓扑半金属磷化钼(MoP)同时具有三重和二重简并费米子. 为了研究其费米面以上的激发态超快动力学特性, 对其进行了时间分辨超快泵浦-探测实验. 获得了MoP的准粒子动力学, 包含来源于电子-声子散射的快分量, 寿命为0.3 ps, 以及来源于声子-声子散射的慢分量, 寿命为150 ps. 温度依赖的研究表明, 快分量和慢分量的弛豫寿命均随着温度的增加产生微小增大. 同时还激发并探测到一支相干态声学支声子, 其由热应力引起, 频率为0.033 THz且不随温度而改变. 对于MoP激发态准粒子超快动力学以及相干态声子的研究为理解该体系总体的激发态超快动力学特性以及电子-声子相互作用对温度的依赖提供了有益的实验依据.
2020, 69 (14): 147301.
doi: 10.7498/aps.69.20200506
摘要 +
本文介绍了转角双层石墨烯和多层石墨烯中的电子结构、拓扑性质以及轨道磁性. 在转角双层石墨烯中, 由于两层石墨烯之间的相对旋转会形成具有长周期的摩尔条纹. 由转角产生的摩尔势场会在摩尔超元胞中产生方向相反的赝磁场, 与两层的石墨烯中的狄拉克电子耦合, 从而产生赝朗道能级. 而魔角石墨烯中的每个谷和自旋自由度的两条平带就等价于两个具有相反陈数的零赝朗道能级. 这样的赝朗道能级表示可以很自然地解释一系列“魔角”的来源, 也对理解魔角双层石墨烯中观测到的关联绝缘态和量子反常霍尔效应具有重要意义. 本文进一步讨论了转角多层石墨烯, 并发现转角多层石墨烯体系中普遍存在具有非平庸拓扑性质的平带. 这些拓扑平带通常具有非零的谷陈数, 并且在一定近似下可以由一个普适的规律描述. 本文还讨论了转角石墨烯体系中的拓扑平带所具有的轨道磁性. 如果时间反演对称性自发破缺, 转角石墨烯体系会处于一个谷极化的基态. 这样的谷极化基态是一个在摩尔尺度上的轨道磁性态, 在摩尔超胞中具有纳米尺度的环状电流分布. 之前的理论提出在转角双层石墨烯体系中观测到的关联绝缘态的本质就是一种净磁矩为零的“摩尔轨道反铁磁态”. 当体系的$C_{2z}$ 对称性被氮化硼衬底破坏时, 转角石墨烯中的谷极化基态则变成了一种“摩尔轨道铁磁态”, 它不仅具有(量子)反常霍尔效应, 也具有新奇的磁光效应和非线性光学响应.
