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超晶格结构在二维转角异质结中产生的新奇物态

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真空科学与技术学报 2024年第4期44卷 279-305页

作者：薛禹承王英博姜宇航中国科学院大学物理科学学院北京100049 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049

二维量子材料由于其展现出的许多新奇特质而受到了普遍关注。当二维量子材料组成同质结或异质结时,晶格常数和层间旋转角度会使体系产生新的超晶格结构,从而导致一系列电子能带结构和物理性质的变化。文章首先围绕着超晶格结构所带来的... 详细信息

二维量子材料由于其展现出的许多新奇特质而受到了普遍关注。当二维量子材料组成同质结或异质结时,晶格常数和层间旋转角度会使体系产生新的超晶格结构,从而导致一系列电子能带结构和物理性质的变化。文章首先围绕着超晶格结构所带来的晶格空间结构以及能带结构的变化展开讨论,主要介绍了由此产生的超晶格狄拉克点、莫尔激子和原子重构等新奇物性。除此之外,超晶格结构会使电子的费米速度在一组特定的旋转角度下消失,产生平带。这会导致该区域的物理性质由电子之间的相互作用能主导,从而产生显著地改变。这些由电子之间强关联现象所引起的新奇物性,成为了近些年凝聚态物理等研究领域的前沿课题之一。在这里,文章主要围绕着关联绝缘态、超导、电子晶体和轨道磁性等介绍了与电子之间强关联现象有关的内容,并在最后对超晶格结构未来的发展方向进行了展望。

关键词：二维量子材料莫尔超晶格平带强关联效应

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二维材料平带的实现及其新奇量子物态

物理学报 2022年第12期71卷 220-237页

作者：张若寒任慧莹何林北京师范大学物理学系高等量子研究中心北京100875

在二维材料平带中电子的有效质量急剧增大,电子的库仑排斥能将远远大于电子的动能,电子-电子相互作用效应显著,对应地将会产生一系列新奇的强关联量子物态,如量子霍尔铁磁态、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导态、Wigner晶体等... 详细信息

在二维材料平带中电子的有效质量急剧增大,电子的库仑排斥能将远远大于电子的动能,电子-电子相互作用效应显著,对应地将会产生一系列新奇的强关联量子物态,如量子霍尔铁磁态、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导态、Wigner晶体等.因此人们对于二维材料中的平带产生了极大的兴趣.近几年,与平带相关的强关联物性研究成为了凝聚态物理领域的前沿课题.实验上发展了多种方法,例如通过外加强磁场、构筑应变结构、引入转角等方式在二维材料中引入平带.本文通过对二维体系中平带的实现方法及其带来的新奇物理现象进行回顾,希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.

关键词：平带 Hubbard模型强关联效应新奇量子物态

Kagome金属CoSn和CoGe拓扑电子性质的应变和Hubbard-U调控研究

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湘潭大学学报(自然科学版) 2024年

作者：彭虽然李意芝孟利军湘潭大学物理与光电工程学院

层状Kagome金属由于包含平带和线性交叉的Dirac带等奇异电子性质，正逐渐成为探索阻挫晶格和量子拓扑的新兴电子材料。本文采用第一性原理方法研究了应变和Hubbard相互作用U对CoSn和CoGe两种层状Kagome金属拓扑电子性质的调控。研究结... 详细信息

层状Kagome金属由于包含平带和线性交叉的Dirac带等奇异电子性质，正逐渐成为探索阻挫晶格和量子拓扑的新兴电子材料。本文采用第一性原理方法研究了应变和Hubbard相互作用U对CoSn和CoGe两种层状Kagome金属拓扑电子性质的调控。研究结果表明，对两种Kagome金属施加a和b单轴应变时，能够较大的减少六边形Co原子d轨道的局域化程度，导致Kagome金属中平带宽度发生较大的改变，并且单轴应变破坏了晶体的C6对称性，从而使得Dirac点发生劈裂，且劈裂程度随应变的增加而增加。而c轴应变对Co原子d轨道的局域化程度影响较小，因而平带宽度变化较小。当施加ab双轴应变时，平带宽度变化没有单轴应变明显，表明对称性对保持Kagome晶格中六边形金属原子的d轨道消相干效应发挥了重要作用。并且由于双轴应变没有破缺晶体对称性，Dirac点在拉伸应变下只发生移动，而在压缩应变下由于自旋劈裂导致四重简并Dirac点劈裂为两个二重简并的Weyl点，形成平带-Weyl带的新型能带结构。研究还表明，较大的Hubbard-U相互作用对Kagome电子结构同样存在重要影响。当U > 1.60 eV时，不仅能带发生了自旋劈裂，而且平带宽度和Dirac点位置发生了明显的改变，Hubbard-U对Kagome晶格中局域化的Co原子d轨道产生了重要的影响。这些发现为进一步深入探讨Kagome金属的拓扑电子性质和关联效应提供了研究思路，也为其在能源、催化等领域中的实际应用提供了理论参考。

关键词：第一性原理 Kagome金属平带 Dirac带

二维Honeycomb-kagome结构磁振子晶体中的狄拉克点与平带

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内蒙古大学学报（自然科学版） 2023年第2期54卷 142-148页

作者：苗雨范天舒杨慧曹永军内蒙古师范大学物理与电子信息学院呼和浩特010022

在蜂窝(Honeycomb)结构磁振子晶体模型的基础上,提出了Honeycomb-kagome结构的二维磁振子晶体模型,它是由铁(Fe)圆柱按照Honeycomb-kagome结构排列在氧化铕(EuO)基底材料内构成的一种二维周期结构磁性复合材料系统。利用课题组提出的改... 详细信息

在蜂窝(Honeycomb)结构磁振子晶体模型的基础上,提出了Honeycomb-kagome结构的二维磁振子晶体模型,它是由铁(Fe)圆柱按照Honeycomb-kagome结构排列在氧化铕(EuO)基底材料内构成的一种二维周期结构磁性复合材料系统。利用课题组提出的改进平面波展开法,数值计算研究了该系统里的磁振子带结构。结果表明,只要满足散射体密排即各Fe圆柱边缘相切的条件,在布里渊区K点处就会产生磁振子狄拉克点,通过调节不同密排圆柱体的半径比可以实现间接调控狄拉克点频率位置的目的。此外,在相切圆柱半径比相差较大情况下,会有磁振子平带现象的出现,这是不同于晶体中杂质态的一种拓扑局域态,是自旋波在Honeycomb-kagome结构中高度干涉叠加而形成。本文对磁振子狄拉克点的产生、调控和拓扑平带的研究,不仅拓展了凝聚态拓扑物理的研究内容,同时可为人工磁振子晶体应用于自旋波拓扑器件制作材料领域提供理论依据和一个平台。

关键词：磁振子晶体 Honeycomb-kagome结构狄拉克点平带拓扑态

以Creutz晶格为例探究平带结构对超流稳定性的影响

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以Creutz晶格为例探究平带结构对超流稳定性的影响

作者：梁米吉兰州大学

学位级别：硕士

平带内的电子能带色散不依赖于动量,其中电子有着极大的态密度。因此拥有平带的系统通常表现出奇异的强关联现象。有研究显示,平带结构可能增强电子配对和超流的稳定性。本文从对抗无序的角度出发,探究了平带结构对超流稳定性的影响。... 详细信息

平带内的电子能带色散不依赖于动量,其中电子有着极大的态密度。因此拥有平带的系统通常表现出奇异的强关联现象。有研究显示,平带结构可能增强电子配对和超流的稳定性。本文从对抗无序的角度出发,探究了平带结构对超流稳定性的影响。准一维的Creutz晶格是一种典型的基态为平带的系统,作为对照,我们同时考虑了具有散带结构的两腿梯子方晶格。具体的,我们以吸引相互作用的费米Hubbard模型为研究对象,利用密度矩阵重整化群（DMRG）等数值方法计算了引入无序后两种晶格系统基态的各种关联函数、束缚结合能（binding energy）以及Drude Weight等观测量,以研究平带结构对超流稳定性的影响。引入无序会导致电子发生局域化,使系统由导电相转化为绝缘相。关于无序对超导态的影响,不同的研究给出了不同的结果。一些研究认为无序首先会破坏配对,使系统进入金属态;继续增大无序,则会进一步使系统进入单粒子局域化的绝缘态。还有一些研究认为无序会直接破坏配对的相干性,使系统表现为配对局域化的绝缘态。计算结果表明,不同的无序类型对于超流态的破坏过程存在着差异。随机的在位化学势对电子配对的影响微弱,对超流态的影响显著,使系统最终转化为配对绝缘体;随机的在位Zeeman场在破坏配对的同时破坏了超流态,但所需的无序强度较大。通过对Drude Weight的有限尺寸标度,我们发现热力学极限下平带系统中的超流更加稳定:当存在随机Zeeman场时,Creutz晶格中发生绝缘体转变的临界无序非零,而两腿梯子的临界无序为零。此外,在这两种无序情况下,我们均未发现中间金属态存在的迹象,系统直接由超流态转变为绝缘态。

关键词：平带无序超流密度矩阵重整化群 Drude Weight 关联函数

具有平带的二维非对角Aubry-André-Harper模型中的一般束缚角态

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具有平带的二维非对角Aubry-André-Harper模型中的一般束缚角态

作者：陈超延边大学

学位级别：硕士

近年来,高阶拓扑态的发现突破了传统的体边对应关系,吸引了凝聚态物理学界越来越多的兴趣。作为最简单的高阶拓扑态,二维系统中的角态在众多实验平台上得到验证,受到了更多关注。在研究二维系统中的角态的过程中,发现一种名为一般束缚... 详细信息

近年来,高阶拓扑态的发现突破了传统的体边对应关系,吸引了凝聚态物理学界越来越多的兴趣。作为最简单的高阶拓扑态,二维系统中的角态在众多实验平台上得到验证,受到了更多关注。在研究二维系统中的角态的过程中,发现一种名为一般束缚角态的新型角态,这种新型角态不局域在角落,而是局域在角落周边。另一方面,动量空间能谱中具有平带的平移不变晶格系统由于可以作为研究强关联现象的理想平台,在最近几十年吸引了大量关注。平带所对应的紧凑局域态,从实空间的角度解释了平带产生的原因,在平带研究中几乎不可或缺,但是有限尺寸的平带晶格系统的实空间能谱和态分布却很少被研究。二维非对角Aubry-Andre-Harper（AAH）模型拥有余弦函数调制的最近邻跳跃强度,其能谱拥有丰富的物理现象。本文研究了具有平带的二维非对角AAH模型的实空间能谱和态分布,以及引进部分胞内次近邻跳跃对系统的影响。具体研究内容如下:基于只有最近邻跳跃的二维非对角AAH模型,研究了余弦函数的相位因子对系统能谱的影响,发现当相位因子取某些值时,系统的动量空间能谱出现三重简并零能平带。通过研究有限尺寸的二维非对角AAH模型具有平带时的实空间能谱,发现系统拥有一些一般束缚角态。这是由于相位因子如此取值时,部分最近邻跳跃的强度为零,二维非对角AAH模型分裂成很多孤立的碎块。但是带隙的缺乏导致这些一般束缚角态易受无序影响。通过引进部分胞内次近邻跳跃,具有相反能量的两条平带从原来的三重简并零能平带中分裂出来。利用薛定谔方程推断三条平带所对应的紧凑局域态,通过求解动量空间哈密顿量得到那两条非零能平带的解析解,结果表明这两条平带的能量可以通过改变胞内次近邻跳跃的强度来控制。此外,实空间能谱中出现鲁棒的一般束缚角态,通过增加无序强度,探究了这些一般束缚角态的鲁棒性边界。最后,基于超导电路晶格,提出了一个可行的方案实现二维非对角AAH模型。

关键词：一般束缚角态平带 AAH模型次近邻跃迁

二维Honeycomb-Kagome结构磁振子晶体结构中的狄拉克点与拓扑平带性质研究

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二维Honeycomb-Kagome结构磁振子晶体结构中的狄拉克点与拓扑平带...

作者：苗雨内蒙古师范大学

学位级别：硕士

量子霍尔效应开创了凝聚态物理学领域的新方向,同时也将数学中的“拓扑”概念引入到了物理学研究中。凝聚态拓扑现象首先发现于电子系统中,近年来,随着拓扑能带理论的诞生和发展,并且通过与电子类比,拓扑现象在光子晶体、声子晶体等人... 详细信息

量子霍尔效应开创了凝聚态物理学领域的新方向,同时也将数学中的“拓扑”概念引入到了物理学研究中。凝聚态拓扑现象首先发现于电子系统中,近年来,随着拓扑能带理论的诞生和发展,并且通过与电子类比,拓扑现象在光子晶体、声子晶体等人工微结构复合材料中的研究也得到突破性的进展,理论预言的边界态输运表现为完全背散射抑制、无损和单向传输的性质也得到了实验证实,这使其存在着巨大的应用潜力。磁振子晶体在铁磁学领域有着重要的研究价值,其本身具有周期性结构,所以受到周期结构的布拉格散射作用,处于带隙范围内的自旋波在其中的传播会受到抑制,从相关文献调研来看,其本身的拓扑研究相对较少,受石墨烯材料许多新奇物理性质的启发,本论文构造了类石墨烯结构人工磁振子晶体模型,提出了Honeycomb—Kagome结构人工磁振子晶体的概念,拟对其中的狄拉克点和拓扑平带产生的条件及其调控进行数值计算研究。拓扑概念引入到人工磁振子晶体系统,由于拓扑稳定性,磁振子晶体中的狄拉克点、平带现象以及其它拓扑态的产生可应用于各种自旋波磁学器件和应用技术中,这样就能提高器件的稳定性,更有利于制作相关自旋波的稳定器械。石墨烯的结构具有良好的对称性和周期性,这使得它在不同的晶体材料中表现出良好的导电性、导热性和狄拉克点等特性。Kagome结构晶格是由共边三角形以六边形排列组成的二维网络结构,这种独特的几何结构使得其电子结构包括无色散的平带、类似于石墨烯的狄拉克锥和范霍夫奇点等,表现出许多奇异的特性。本文的创新点在于将石墨烯结构与Kagome这一独特结构相联系,将石墨烯材料结构与人工磁振子晶体结合起来,研究其中的拓扑性质,通过调节不同格点位置处圆柱散射体的半径比,可实现人工磁振子晶体系统中的狄拉克点和拓扑平带产生与调控的可能性。很显然随着人工微纳米加工制造技术的发展,这种调控方案在实际中是可行的,紧接着通过大量的数值计算,论文研究了狄拉克点和平带变化的规律,此研究拓展了磁学拓扑凝聚态物理的研究和应用领域。接下来的部分,还研究了磁学领域中的陈数和贝利曲率等相关拓扑参数的数值计算可行性问题,并明确了其在人工磁振子晶体的价值;以二维正方晶格磁振子晶体为例,理论推导和数值计算研究自旋波在动量空间的贝利曲率和陈数,以期拓展磁振子晶体的拓扑物理性质研究。

关键词：磁振子晶体狄拉克点平带拓扑态

ABC堆垛少层石墨烯准粒子干涉与平带谱学研究

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ABC堆垛少层石墨烯准粒子干涉与平带谱学研究

作者：周月迎湖南大学

学位级别：硕士

近年来,ABC堆垛石墨烯被证明是一种有趣的量子材料体系,该体系具有的低能平带电子结构可以诱导产生许多新奇的电子强关联现象,从而引起了极大的关注。然而,该体系的微观性质理解非常不足,尤其是其微观谱学性质。基于此,本文利用超高真... 详细信息

近年来,ABC堆垛石墨烯被证明是一种有趣的量子材料体系,该体系具有的低能平带电子结构可以诱导产生许多新奇的电子强关联现象,从而引起了极大的关注。然而,该体系的微观性质理解非常不足,尤其是其微观谱学性质。基于此,本文利用超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)和隧道谱(STS)技术,研究ABC堆垛少层石墨烯局域的微观谱学性质。借助STM/STS原子级分辨、操控以及电子态实空间探测能力,主要对以高定向热解石墨(HOPG)为衬底的ABC堆垛三层石墨烯和以氮化硼为衬底的ABC堆垛少层石墨烯进行研究。得到的主要结果如下:(1)本文首次在以HOPG为衬底的ABC堆垛三层石墨烯的表面观测到了准粒子干涉诱导的局域态密度空间驻波,即费里德尔(Friedel)振荡。实验结果表明,ABC堆垛三层石墨烯的长程驻波模式不仅可以通过常见的缺陷和台阶边缘等常见势垒的散射产生,还可以通过ABC-ABA堆垛畴壁孤子产生。其中发现,对于台阶边缘的散射体,无论是表面台阶边缘还是底层台阶边缘都能有效地在表层产生准粒子驻波。通过拟合分析还发现,在ABC堆垛三层石墨烯中观测到的所有类型的散射体,Friedel振荡总是表现为1/r的空间衰减,其中r表示距离散射体中心的距离。这种Friedel振荡的1/r衰减速率与双层石墨烯的衰减速率一致,而比单层石墨烯的衰减速率慢。该实验结果为ABC堆垛三层石墨烯散射体的性质提供了基础认识,并有助于更好地理解其微观散射机制。(2)由于以HOPG为衬底的ABC堆垛石墨烯存在层数、尺寸等不可控因素,因此本文进一步将研究对象转移到了ABC堆垛少层石墨烯/氮化硼异质结样品中。利用二维材料的转移堆垛技术,成功制备了3-9层的ABC堆垛石墨烯/氮化硼异质结构。通过微观形貌表征,发现制备的异质结表面平整、干净,质量高。另外,STM还探测到了少层ABC堆垛石墨烯与氮化硼以一定转角形成莫尔条纹结构,由于转角角度较大,因此可将探测区域看成纯ABC结构。利用STS技术探测到了3-9层ABC堆垛石墨烯的平带特征谱,得到了与HOPG衬底上的ABC堆垛石墨烯可比拟的平带峰宽。通过分析平带峰的半高峰宽,发现电荷在样品表面分布较均匀,进一步说明样品质量高,同时也直接证实了ABC堆垛少层石墨烯平带结构的存在。借助样品的高质量,除了探测到平带峰,还能探测到高能带次峰。统计发现高能带次峰的能量位置与层数有依赖关系,与理论计算一致。通过理论计算拟合得到了3-9层中的层间最近邻耦合参数值,为ABC堆垛少层石墨烯的研究提供了重要的参数。

关键词： ABC堆垛三层石墨烯 ABC堆垛少层石墨烯/氮化硼异质结准粒子干涉平带扫描隧道显微镜扫描隧道谱

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基于简并p轨道的平带模型及其二维材料实现

Science Bulletin 2021年第8期66卷 765-770,M0003页

作者：曾犟鹿鸣刘海文江华谢心澄 International Center for Quantum Materials School of PhysicsPeking UniversityBeijing 100871China Beijing Academy of Quantum Information Sciences Beijing 100871China Center for Advanced Quantum Studies Department of PhysicsBeijing Normal UniversityBeijing 100875China School of Physical Science and Technology Soochow UniversitySuzhou 215006China Beijing Academy of Quantum Information Sciences Beijing 100193China CAS Center for Excellence in Topological Quantum Computation University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100871China

作为一种无色散且态密度发散的电子结构,平带为研究相互作用、实现新奇物理性质提供了理想平台.设计理论模型并寻找相应的材料实现受到了广泛关注.当前,基于现有理论模型寻找和制备具有理想平带的二维材料仍存在不同程度的挑战.本文提... 详细信息

作为一种无色散且态密度发散的电子结构,平带为研究相互作用、实现新奇物理性质提供了理想平台.设计理论模型并寻找相应的材料实现受到了广泛关注.当前,基于现有理论模型寻找和制备具有理想平带的二维材料仍存在不同程度的挑战.本文提出了一种可以在一系列二维材料中实现平带的新型理论模型.以结构稳定的硫化钾(K2S)二维单层为例,其平带的色散仅为50毫电子伏左右.在硫化钾单层与石墨烯构成的异质结中,层间的电荷转移可以调节平带的部分填充.该平带模型还可以在一些1T结构的三元化合物中实现.例如,已经被实验室合成的Gd2CCl2.第一性原理计算表明,在铁磁态的Gd2CCl2单层中,还可以实现自旋极化的平带.此文提出的理论模型与二维材料为平带以及相关新奇物理性质的研究提供了理想的且可实现的平台.

关键词：三元化合物二维材料电荷转移自旋极化部分填充第一性原理计算理论模型平带