《自然·物理》报道拓扑绝缘体/高温超导体近邻效应研究最新成果

清华大学物理系周树云研究组、陈曦/薛其坤研究组和清华大学高等研究院姚宏研究员,最近在拓扑绝缘体和高温超导体异质界面的超导近邻效应研究中取得重要进展.他们首次利用分子束外延（MBE）在高温超导体Bi2Sr2CaCu2O8＋d（BSCCO）上制备出高质量Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜,     

拓扑绝缘体电子态的电场调控

文章简要介绍了对拓扑绝缘体性质的电场控制,主要包括三维拓扑绝缘体表面磁性的电场控制、电子在p-n结中的类光输运行为以及拓扑绝缘体量子点的特性.     

量子相变

量子相变是一种发生在绝对零度,由量子涨落而非热涨落导致的相变现象,满足著名的海森堡不确定关系。通过零温量子临界点的研究,可获知物质系统更广泛范围的行为,包括稀土磁性绝缘体,高温超导体和二维电子气体等。     

反铁磁轴子绝缘体候选材料EuIn_2As_2的表面原子排布和电子结构

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,EuIn_2As_2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1×2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EuIn_2As_2的表面能带结构和拓扑性质提供了重要信息.     

清华大学在拓扑绝缘体的实验研究方面取得一系列突破性进展

<正>最近,清华大学物理系薛其坤、陈曦与贾金锋等组成的研究团队,在拓扑绝缘体的实验研究方面取得了一系列突破性进展.他们与中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)马旭村研究员领     

相互作用拓扑绝缘体中拓扑不变量的计算取得进展

正拓扑物质形态,如具有拓扑序的量子霍尔态以及拓扑绝缘体,是近年来凝聚态物理领域最大的进展之一~([1—6])。在拓扑绝缘体中加入电子之间的强关联相互作用,研究可能涌现的新的拓扑物态,以及拓扑物态之间由于相互作用驱动的拓扑相变,是人们关心的问题~([7—29])。前期拓扑绝缘体的理论和实验研究,主要集中于无相互作用或弱     

磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构

首先简要地介绍了磁性材料中磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构以及相互之间的关系. 一方面, 磁畴结构由材料的磁结构、内禀磁性和微结构因素决定; 另一方面, 磁畴结构决定了材料磁化和退磁化过程以及技术磁性. 拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密. 最近的研究兴趣集中在一些拓扑磁性组态, 如涡旋、磁泡、麦纫、斯格米子等. 研究发现这些拓扑磁结构的拓扑性质与磁性能密切相关. 然后从尺寸效应、缺陷、晶界三个方面介绍国际学术界在磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构方面的进展. 最后介绍了在稀土永磁薄膜材料的微观结构、磁畴结构和磁性能关系、交换耦合纳米盘中的拓扑磁结构及其动力学行为方面的工作. 通过对文献的评述, 得到以下结论: 开展各向异性纳米复合稀土永磁材料的研究对更好地利用稀土资源具有重要的意义. 可以有目的地改变材料的微结构, 可控地进行磁性材料的磁畴工程, 最终获得优秀的磁性能. 拓扑学的概念正在应用于越来越多的学科领域, 在越来越多的材料中发现拓扑学的贡献. 研究磁畴结构、拓扑磁性基态或者激发态的形成规律以及动力学行为对理解量子拓扑相变以及其他与拓扑相关的物理效应是十分重要的. 也会帮助理解不同拓扑学态之间相互作用的物理机制及其与磁性能之间的关系, 同时拓展拓扑学在新型磁性材料中的应用.     

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.     

纳米尺度下超导体和拓扑绝缘体的电输运特性

超导体和拓扑绝缘体研究是当前凝聚态物理领域中的重大课题.文章重点介绍了作者所在实验室在纳米超导和拓扑绝缘体电输运领域的实验进展,其中包括金属和铁磁纳米线中的超导近邻效应、半金属纳米线中的新奇超导特性、拓扑绝缘体薄膜中的量子输运以及超导态-拓扑量子态的相互作用等,并对该领域的进一步发展进行了展望.     

磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

量子反常霍尔绝缘体,有时也被称为陈数绝缘体,是不同于普通绝缘体和拓扑绝缘体的一类新的二维绝缘体,该体系具有可被实验观测的特殊物理性质—量子反常霍尔效应。该体系的物态不能用朗道对称性破缺理论来描写,而要用到拓扑物态的概念。它的发现也经历了从反常霍尔效应的内秉物性阐释,到量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的发现,再到磁性拓扑绝缘体的理论预测与实现,并最终成功实验观测的漫长过程。由于量子反常霍尔效应的实现不需要外加磁场,而此时样品的边缘态可以被看成一根无能耗的理想导线,因此人们对于其将来可能的应用充满了期待。本文将从理论的角度简单综述该领域的发展历程、基本概念、以及相关的材料系统。     

声子晶体中的多重拓扑相

研究了圆环型波导依照蜂窝结构排列的声子晶体系统中的拓扑相变.利用晶格结构的点群对称性实现赝自旋,并在圆环中引入旋转气流来打破时间反演对称性.通过紧束缚近似模型计算的解析结果表明,没有引入气流时,调节几何参数,系统存在普通绝缘体和量子自旋霍尔效应绝缘体两个相;引入气流后,可以实现新的时间反演对称性破缺的量子自旋霍尔效应相,而增大气流强度,则可以实现量子反常霍尔效应相.这三个拓扑相可以通过自旋陈数来分类.通过有限元软件模拟了多个系统中边界态的传播,发现不同于量子自旋霍尔效应相,量子反常霍尔相系统的表面只支持一种自旋的边界态,并且它无需时间反演对称性保护.     

声学蜂窝结构中的拓扑角态

高阶拓扑绝缘体是近年来发现的一类具有特殊拓扑相的新型拓扑绝缘体,目前已在光学、声学等多种经典波系统中实现.本文采用数值模拟方法研究了一种二维声学蜂窝结构,通过调节胞内和胞间耦合波导管,使体能带发生反转诱导拓扑相变,进而利用拓扑相构建出声学二阶拓扑绝缘体.蜂窝结构的拓扑性质可以用量子化的四极矩Q_ij表征,当Q_ij=0时,系统是平庸的;而当Q_ij=1/2时,系统是拓扑的.基于该蜂窝结构,分别研究了六边形和三角形结构的声学高阶态,在两种构型的蜂窝结构中均观测到了孤立的零维角态,研究结果表明只有存在钝角的六边形结构对缺陷具有鲁棒性,受拓扑保护.本文的拓扑角态丰富了高阶拓扑绝缘体的研究,同时可为紧凑声学系统中的鲁棒限制声提供一条新途径.     

Jaynes-Cummings晶格模型和Rabi晶格模型的量子相变

采用平均场近似的方法,分别研究了Jaynes-Cummings晶格模型和Rabi晶格模型的量子相变:Mott绝缘体相-超流体相量子相变,探索了光的聚束-反聚束行为,研究了Kerr非线性作用对量子相变与光子统计特征的影响.研究结果表明,在Rabi晶格模型中二能级原子和光子相互作用强度g和格点之间光子跃迁强度J的增大会使晶格体系从Mott绝缘体相向超流体相转变,同时,光子统计行为由聚束转变为反聚束,而Kerr非线性强度的增大抑制了Mott绝缘体相-超流体相相变,但促进了光子聚束与反聚束之间的转变.     

在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模

寻找具有拓扑序的新物质态是目前一个非常活跃和令人激动的研究领域.与拓扑绝缘体类似,在超导体中也存在着拓扑非平庸的超导态,它与传统的超导体在拓扑性上是不等价的,这种具有非平庸拓扑序的超导体被称为拓扑超导体.拓扑超导体在体内具有非零的超导能隙,而在表面有无能隙的表面态.理论预言在拓扑超导体中能够实现具有非Abelian统计特性的Majorana费米子. Majorana费米子可以用来构建拓扑量子比特,在拓扑量子计算方面有重大的科研和应用前景.拓扑绝缘体的出现催生出了许多人工拓扑超导体材料.本专题将主要介绍在拓扑绝缘体/超导体异质结中探测Majorana费米子的一系列实验工作.通过对拓扑超导体的研究,人们对超导电性有了全新的认识,有可能找到实现Majorana费米子新奇量子物理性质的方法.     

反铁磁半金属EuCd_2Pn_2(Pn=As,Sb)中磁交换诱导的外尔态（英文）

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EuCd_2Pn_2(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MnBi_2Te_4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。     

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。     

拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应

拓扑绝缘体是近年来发现的一类新的量子材料,已成为凝聚态物理的研究热点领域.厚度仅几纳米的拓扑绝缘体薄膜不但具有奇特的物理性质,而且还是拓扑绝缘体应用于平面器件的基础.文章以Bi2Se3为例,介绍了Bi2Se3家族拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长以及其能带、自旋结构和拓扑性质随层厚的演化.这些结果为人工调控拓扑绝缘体的电子结构和物理性质提供了指导.     

在重费米子体系中发现外尔费米子激发

<正>凝聚态物质中的拓扑序和拓扑相变是物理学中的一个重要发现,它突破了基于对称性破缺的经典朗道理论,解释了包括涡旋激发、量子霍尔效应等在内的许多新现象。近年来,人们在凝聚态材料中发现了一系列受对称性保护的拓扑量子物态,例如拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半     

层状磁性拓扑材料中的物理问题与实验进展

层状磁性材料与拓扑材料的交汇点同时结合了二者的优势,形成了在最小二维单元下同时具有磁序和拓扑性的材料体系,即层状磁性拓扑材料.这类材料的电子结构中可能存在狄拉克点、外尔点、节线等具有螺旋性或手性的拓扑电子态,同时涵盖了绝缘体、半金属和金属等的材料分类,导致新物性、新现象成为可能,因此引起了广泛的关注.本文主要以具有层状结构的本征磁性拓扑绝缘体、磁性外尔半金属、磁性狄拉克半金属等为例简要综述磁序与拓扑序之间的相互作用和近期部分的重要实验结果.此交叉材料领域方兴未艾,候选材料仍然非常缺乏,亟待进一步的开发和研究,是当前一个富有挑战的凝聚态物理前沿.     

清华大学物理系原子核物理研究的新进展

在清华大学物理系成立80周年之际,对近年来清华大学物理系原子核物理研究的主要进展情况作一介绍,包括原子核高自旋态的实验研究,原子核结构的理论研究,高能核物理的理论研究.在高自旋态研究方面,内容包括在A～100丰中子核区核的集体振动转动带结构、新的准粒子带特性、新手征二重带等特性研究;在A～140丰中子核区核的八极形变及八级关联等特性研究;在A～130缺中子核区核的形状驱动效应,包括扁椭形变带、形状共存等特性研究.在原子核结构理论研究方面,内容包括用相互作用玻色子模型、推转壳模型、投影壳模型以及相对论平均场对原子核特性的研究;对原子核结构或其他量子系统的各种对称性和代数方法的研究,如动力学对称性、超对称性、势代数方法等;与对称性紧密联系的普通李代数和非线性李代数的表示,如普通李代数、李超代数、平方根型非线性李代数、多项式型非线性李代数等.在高能核物理研究方面,内容主要包括量子色动力学（QCD）在高温高密条件下的相变以及在相对论重离子碰撞中相变信号的研究.