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外尔超构材料里频率分离外尔点的数值设计

物理学报 2020年第15期69卷 123-128页

作者：周萧溪胡传灯陆伟新赖耘侯波苏州大学物理科学与技术学院苏州纳米科技协同创新中心苏州215006 深圳市环波科技有限责任公司深圳518000 南京大学固体微观结构国家实验室物理学院人工微结构科学与技术协同创新中心南京210093

外尔半金属是指三维能带结构具有手性拓扑点简并特征的无能隙固体材料,并且简并点附近的色散关系遵从外尔方程的描述.它具有很多独特的电子输运性质,比如:费米弧表面态、负磁阻效应、手性朗道能级等.类比电子系统的外尔半金属材料,人们... 详细信息

外尔半金属是指三维能带结构具有手性拓扑点简并特征的无能隙固体材料,并且简并点附近的色散关系遵从外尔方程的描述.它具有很多独特的电子输运性质,比如:费米弧表面态、负磁阻效应、手性朗道能级等.类比电子系统的外尔半金属材料,人们设计出理想外尔超构材料,在电磁波体系里实现了频率一致的外尔点简并.本文打破这种超构材料的镜面对称性,通过数值计算发现了原本频率一致的外尔点出现了依赖手性的频移,频移的正负由外尔点的手性决定,因此实现了手性不同的外尔点在频率上的分离,同时也检验了晶面上外尔点之间的费米弧表面态.

关键词：外尔点手性频移费米弧

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拓扑半金属表面态的输运特性

科学通报 2024年第1期69卷 68-79页

作者：郑悦陈伟南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室南京210093 人工微结构科学与技术协同创新中心南京210093

拓扑电子体系是近年来凝聚态物理学的研究前沿,它以非平庸的体态拓扑以及奇异的表面态为主要特征.输运测量是研究拓扑电子体系最常用和最有效的手段之一,输运研究与新奇物理效应的探索以及电子器件相关应用都有密切的联系.基于拓扑绝缘... 详细信息

拓扑电子体系是近年来凝聚态物理学的研究前沿,它以非平庸的体态拓扑以及奇异的表面态为主要特征.输运测量是研究拓扑电子体系最常用和最有效的手段之一,输运研究与新奇物理效应的探索以及电子器件相关应用都有密切的联系.基于拓扑绝缘体的输运研究已经广泛地开展,其中的输运信号仅由拓扑表面态贡献;而拓扑半金属中体态和表面态共存,这在给输运研究带来复杂性的同时,也预示着更为丰富的物理现象有望被发现.大多数针对拓扑半金属输运性质的研究集中于其体态,而其表面态的贡献通常被认为小到可以忽略.需要指出,通过巧妙构筑输运器件结构,表面态可以贡献很强的输运信号并导致新奇而丰富的输运性质.本文介绍了若干典型拓扑半金属体系中表面态导致的新奇输运性质,包括拓扑节线半金属中鼓面表面态导致的共振自旋翻转反射及其输运信号,外尔半金属中费米弧表面态的奇异安德烈夫反射、法布里-珀罗干涉和门电压调控的栗弗席兹相变,以及这些效应对外场的奇特响应.本文介绍的研究成果为拓扑半金属表面态的探测与调控提供了新的思路.

关键词：节线半金属外尔半金属表面态费米弧量子输运

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拓扑半金属的角分辨光电子能谱研究

中国科学：物理学、力学、天文学 2023年第6期53卷 93-114页

作者：高顺业钱天杨乐仙柳仲楷陈宇林中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心北京100190 中国科学院大学北京100049 保罗谢勒研究所光子科学部瑞士菲利根CH-5232 松山湖材料实验室东莞523808 清华大学物理系北京100084 上海科技大学物质科学与技术学院拓扑物理实验室上海201210 牛津大学物理系英国牛津OX13PU

拓扑半金属是一类新奇的量子材料,它存在受拓扑保护的无能隙体态能带交叉和特征表面态.根据能带交叉的维度和简并度,拓扑半金属可以简单分为:零维的四重简并狄拉克半金属、二重简并外尔半金属、三重/六重/八重简并点半金属,和高维度的节... 详细信息

拓扑半金属是一类新奇的量子材料,它存在受拓扑保护的无能隙体态能带交叉和特征表面态.根据能带交叉的维度和简并度,拓扑半金属可以简单分为:零维的四重简并狄拉克半金属、二重简并外尔半金属、三重/六重/八重简并点半金属,和高维度的节线/节面半金属.近十年来,基于角分辨光电子能谱(ARPES)实验技术,人们可以直接测量拓扑半金属中的体态能带简并和特征表面态,清楚地揭示材料的拓扑本质.本文系统性回顾了使用ARPES研究各种类拓扑半金属的成果与进展,有助于理解其物理性质、拓扑起源以及探索更多新奇拓扑半金属.

关键词：拓扑半金属角分辨光电子能谱电子结构能带简并费米弧

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磁性外尔半金属的发现

北京师范大学学报（自然科学版） 2023年第6期59卷 844-851页

作者：刘德发北京师范大学物理学系教育部多尺度自旋物理重点实验室北京100875

外尔半金属是一种新奇的拓扑量子物态,具有手性相反的外尔点和表面态费米弧结构.这种独特的电子结构赋予了外尔半金属奇特的物理性质,如手性反常和量子振荡等.外尔半金属按照对称性不同的破缺方式可以分为中心反演对称性破缺的非磁性外... 详细信息

外尔半金属是一种新奇的拓扑量子物态,具有手性相反的外尔点和表面态费米弧结构.这种独特的电子结构赋予了外尔半金属奇特的物理性质,如手性反常和量子振荡等.外尔半金属按照对称性不同的破缺方式可以分为中心反演对称性破缺的非磁性外尔半金属和时间反演对称性破缺的磁性外尔半金属.其中磁性外尔半金属的电子结构对磁结构的具体形式非常敏感,因此可以通过外加磁场或电场来改变磁矩的方向,以达到操控其拓扑相变和物理性质的变化.这一特性在自旋电子学领域具有潜在的应用价值.具有笼目结构的铁磁体Co3Sn2S2是首个被实验证实的磁性外尔半金属.本文主要综述了磁性外尔半金属Co3Sn2S2的发现,包括输运性质、理论计算和电子结构的测量,并对磁性外尔半金属未来的研究进行了展望.

关键词：磁性外尔半金属费米弧自旋轨道耦合拓扑相变电子结构角分辨光电子能谱

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基于超材料的光学狄拉克-外尔半金属的研究

基于超材料的光学狄拉克-外尔半金属的研究

作者：龙晟湖南大学

学位级别：硕士

拓扑物理学的研究已从凝聚态领域拓展到声学、光学等经典系统,基于拓扑能带理论的拓扑光子学已发展成为光学领域的热点研究方向。狄拉克-外尔半金属是一种新型的拓扑半金属,其能带结构中同时存在狄拉克点和外尔点。在光学系统中,尚无关... 详细信息

拓扑物理学的研究已从凝聚态领域拓展到声学、光学等经典系统,基于拓扑能带理论的拓扑光子学已发展成为光学领域的热点研究方向。狄拉克-外尔半金属是一种新型的拓扑半金属,其能带结构中同时存在狄拉克点和外尔点。在光学系统中,尚无关于该拓扑相的研究。本论文中,我们通过在一个空间反演对称性破缺的光学系统中引入螺旋旋转对称性,巧妙的设计了超材料结构,实现了光学狄拉克-外尔半金属,并对该拓扑相的拓扑性质进行了系统研究,其主要研究内容如下:（1）设计了基于超材料的外尔半金属模型。利用超材料的任意可设计性,我们设计了处于干净带隙中的外尔半金属模型,并探究了结构参数的变化对动量空间中外尔点和能带结构的影响。（2）合理的设计超材料结构,实现了狄拉克-外尔半金属。通过在人工设计的空间反演对称性破缺的超晶体中引入螺旋旋转操作,从而在动量空间中实现了狄拉克点和外尔点的共存。通过调节超材料结构的有效参数,从而调整外尔点和狄拉克点在动量空间中的位置,使其共存于干净能隙中。（3）研究光学狄拉克点和外尔点的拓扑特性,并提出实验上的可靠方案。通过仿真,研究了狄拉克点和外尔点能带的线性简并特征。通过计算了外尔点的贝里相位,分析了外尔点的拓扑特性。我们使用在方向叠加10层单元晶胞构成的仿真模型,来计算狄拉克点的表面态,并通过分析这些表面态揭示了狄拉克点的(5拓扑特性。同样地,在方向叠加10层单元晶胞构成的仿真模型中,我们计算了外尔点的表面态,以揭示其手性拓扑特性。本论文的研究成果为研究三维无隙拓扑相—狄拉克半金属和外尔半金属的联系提供了一个实验上可行的案例,并且为实现拓扑材料的应用提供了新的思路和方法。

关键词：拓扑光子学超材料狄拉克半金属外尔半金属费米弧

新型碳材料的结构设计及其第一性原理计算研究

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新型碳材料的结构设计及其第一性原理计算研究

作者：丁献勇安徽理工大学

学位级别：硕士

碳材料,如富勒烯、石墨烯和碳纳米管等自合成以来,就一直备受研究者们的关注。近年来,随着计算科学,计算能力以及实验设备和方法等迅猛发展,使得一系列性能各异的碳材料被预测并合成出来。T-carbon是于2011年理论预测的三维碳材料,并于2... 详细信息

碳材料,如富勒烯、石墨烯和碳纳米管等自合成以来,就一直备受研究者们的关注。近年来,随着计算科学,计算能力以及实验设备和方法等迅猛发展,使得一系列性能各异的碳材料被预测并合成出来。T-carbon是于2011年理论预测的三维碳材料,并于2017年被成功合成。因此,T-carbon作为理论预测与实验合成的完美结合,吸引了一大批研究者的目光。在本论文中,基于第一性原理计算,探究了 T-carbon在温度以及一定浓度杂质原子影响下的结构演化行为。在T-carbon的结构演化过程中,会出现T-carbon到bct-C16的拓扑相变过程。基于T-carbon和bct-C16的结构,本文构建了力学和电学等性能优良的T5-carbon和fco-C6新型碳材料。研究发现T5-carbon有较好的力学和热学性能,而fco-C6是一种只存在两对外尔点的理想外尔半金属碳相。本文的主要研究内容如下:1)基于第一性原理分子动力学计算和键强分析发现,T-carbon在温度约500 K或者一定浓度的过渡金属原子掺杂下,会转变为一种相对稳定的拓扑节线环半金属bct-C16碳相。此外,通过对称性和低能有效k·p模型的分析,证实了 bct-C16拓扑节线环半金属的拓扑电子态是受中心反演和时间反演对称性保护的。综上,本文提供了两种通过T-carbon获得拓扑节线环半金属相bct-C16的方法,为实验上观察非平庸狄拉克节线型费米子提供了理论依据。2)通过第一性原理分子动力学计算结合键强分析发现T-carbon中碳四面体的存在会使晶体的稳定性降低,因此本文设想减少T-carbon晶体中碳四面体的浓度。本文通过将T-carbon晶胞中一半的碳四面体替换为单个碳原子,从而构建了T5-carbon的晶体结构。计算发现,与T-carbon相比,T5-carbon有更低的能量和更好的力学和热学性能,而且电子结构计算显示T5-carbon具有较小的电子和空穴有效质量。由于T5-carbon是一种间接宽带隙半导体,因此本文为了减小其带隙,分别采用Si和Ti原子替换其中的非四面体碳原子,得到了 SiC4和TiC4材料。计算结果表明,相比于间接带隙半导体T5-carbon,TiC4为直接带隙半导体,而且仍然具有很小的电子和空穴有效质量。值得注意的是,TiC4相比于锐钛矿TiO2具有更好的可见光吸收能力和合适的导带和价带电位,因此是一种良好的光催化候选材料。3)Weyl费米子是满足Weyl方程的一种费米子,之前的研究很少在碳材料中发现有Weyl费米子的存在。本文中,在T-carbon和bct-C16的启发下,搭建了一种螺旋碳三维网络结构,命名为fco-C6。Fco-C6结构中没有中心反演对称性和磁性,即存在时间反演对称性。结合电子能带结构的计算结果发现,在fco-C6的费米面附近存在两对价带顶和导带底的交点,表明了其Weyl费米子的特征。此外,通过对称性和低能有效k·p模型分析,证明了fco-C6中的Weyl点是受到时间反演对称性和两倍旋转对称性C2保护的。更为重要的是,这些对称性保护的外尔点非常靠近费米能级,这使得fco-C6几乎具有理想的非平庸表面态和费米弧。同时,由于碳元素的自旋轨道耦合极其微弱,且fco-C6中只有极少的两对Weyl费米子,表明了 fco-C6是在碳材料中观察Weyl费米子的理想材料。图[26]表[3]参[159]

关键词：第一性原理拓扑节线半金属光催化费米弧外尔半金属

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拓扑半金属材料的第一性原理研究

拓扑半金属材料的第一性原理研究

作者：王震委河南师范大学

学位级别：硕士

不同于之前发现的一些材料体系,目前探索的拓扑绝缘体是一种新的材料,它拥有奇异的性质,比如该材料的体态是有能隙的,然而它的表面态却展示出奇异的金属性质。这类材料的金属一样的表面态在受到时间反演对称性保护的状态下,在即使在非... 详细信息

不同于之前发现的一些材料体系,目前探索的拓扑绝缘体是一种新的材料,它拥有奇异的性质,比如该材料的体态是有能隙的,然而它的表面态却展示出奇异的金属性质。这类材料的金属一样的表面态在受到时间反演对称性保护的状态下,在即使在非磁杂质散射的情况下也依旧能够稳定存在。金属表面态独特的性质在理论计算和实验观测方面已吸引了极大的关注,不仅仅因为理论上的重要性,也因为它拥有巨大的应用前景。近些年,这种拓扑性质也被扩展到了拓扑半金属领域,主要包括狄拉克和外尔半金属。在大多数狄拉克或外尔半金属中导带和价带交叠在动量空间的一点。例如目前非常火的两类材料NaBi和CdAs,这两个拓扑狄拉克半金属材料都已经被实验方面的科研工作者所证实。不过,在节点线半金属中,这些靠近费米能级的能带交叠点形成了闭合的线或环。许多的材料已经被提出是节点线半金属,包括多层的石墨烯,反钙钛矿结构的CuPdN化合物等等。这样的节点线半金属态目前已经科研工作者用角分辨光子能谱在PbTaSe等材料中观测到。除上面的材料外,节点线结构也在光子晶体和自旋液体中被发现。它们拥有有趣的物理性质,包含鼓膜一样的表面态,独特的朗道能级,长程库伦相互作用等等。这些性质打开了一条通向高温超导的重要通道。拓扑节点线半金属还会形成一系列的转化。它会在自旋轨道耦合的作用下转变成三维拓扑绝缘体,狄拉克和外尔半金属。例如CaTe是个节点线半金属,当考虑自旋轨道耦合时,它会转变成一个狄拉克半金属。再对它施加适当的应变,它会从狄拉克半金属转化成一个强拓扑绝缘体。近些年,节点线半金属这些新奇的物理性质在物理学领域吸引了极大的研究兴趣,让人们去探索和发现新奇的费米子。在本篇论文中,基于第一性原理计算和有效模型分析我们,聚焦在节点线半金属和狄拉克半金属,研究它们新奇的物理性质。本论文包括以下内容:1我们通过基于全相对论性的第一性原理计算和有效的模型分析,认真研究了层状材料XInP(X=Ca,Sr)的拓扑性质。能带反转能够被应变诱导,而不是依靠自旋轨道耦合,形成了一个位于k=0平面的圆环,它受到时间反演对称性和滑移面对称性的保护。当考虑自旋轨道耦合,节点线圆环被打开带隙,这个节点线半金属会演变成一个拓扑绝缘体。我们的研究是很有意义的,从新的方向和视角探究了节点线半金属的形成。2通过第一性原理计算并且考虑电子自旋和轨道耦合,我们发现三维化合物BaGaSnH是一个拓扑狄拉克半金属。在考虑自旋轨道耦合的情况下,一对狄拉克点在动量空间位于(0,0,±0.45)的位置。非常巧合的是我们在费米能级上发现了狄拉克费米子,这个发现意味着实验观测到狄拉克费米子将会相对简单。同时,这个狄拉克半金属态对应变是敏感的,它可以诱导这个化合物从狄拉克半金属态转变到平庸的半导体态。3通过第一性原理计算,我们发现当不考虑自旋轨道耦合时化合物PbO是一个拓扑节点线半金属。nodal-line圆环之所以可以稳定存在主要是被时间反演和空间反演对称性所保护。在三维布里渊区中,围绕Γ点有两个nodal-line圆环,两个圆环彼此正交。这是不同于之前的发现的节点线半金属,它们拥有一个或三个圆环。我们也计算出了该化合物100和001方向的鼓膜状的表面态。当电子的自旋和轨道耦合作用被考虑,这个材料将不再是半金属,而是会打开一个极小的能隙,转变成一个拓扑绝缘体。因此我们的发现对实验探究节点线半金属的存在提供了一个良好的平台。

关键词：密度泛函理论拓扑绝缘体节点线半金属费米面费米弧

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拓扑声子晶体

物理实验 2021年第5期41卷 1-9页

作者：彭湃刘正猷中国地质大学(武汉)数学与物理学院湖北武汉430074 武汉大学物理科学与技术学院教育部人工微纳结构重点实验室湖北武汉430072

拓扑物态是当前凝聚态及材料物理领域的关注焦点.声子晶体是具有周期性结构的人工材料,其中的声子态或声波态也可具有拓扑性质.从声子晶体的背景知识出发,介绍了2类拓扑声子晶体的研究进展,即能谷声子晶体和外尔声子晶体,它们具有良好... 详细信息

拓扑物态是当前凝聚态及材料物理领域的关注焦点.声子晶体是具有周期性结构的人工材料,其中的声子态或声波态也可具有拓扑性质.从声子晶体的背景知识出发,介绍了2类拓扑声子晶体的研究进展,即能谷声子晶体和外尔声子晶体,它们具有良好鲁棒性及超导传输特性的拓扑界/表面波,这种无障碍的传输特性具有广阔的应用前景.

关键词：声子晶体拓扑鲁棒性狄拉克锥声谷态外尔声子晶体外尔半金属费米弧

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外尔轨道及三维量子霍尔效应研究进展

中国基础科学 2023年第3期25卷 29-35页

作者：张成复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院上海200433 复旦大学应用表面物理国家重点实验室上海200433 复旦大学张江复旦国际创新中心上海201210

由于体边对应关系,拓扑半金属表面态呈现一种特殊的开放式费米弧结构。在磁场下,处于相对表面的费米弧可通过体态手性朗道能级耦合,形成穿越三维空间的外尔轨道,可在高维度材料中实现超越传统二维体系的量子霍尔效应。重点介绍外尔轨道... 详细信息

由于体边对应关系,拓扑半金属表面态呈现一种特殊的开放式费米弧结构。在磁场下,处于相对表面的费米弧可通过体态手性朗道能级耦合,形成穿越三维空间的外尔轨道,可在高维度材料中实现超越传统二维体系的量子霍尔效应。重点介绍外尔轨道和三维量子霍尔效应的物理机制、实验验证和潜在应用等方面的研究进展。根据理论预测的外尔轨道模型,在实验上通过变角度探测费米面维度、厚度调控回旋相位和双栅极构型验证表面态耦合等方式研究外尔轨道的输运特性。拓扑边界态与量子霍尔效应的结合在拓扑电子材料研究领域开辟了一个全新的前沿阵地,为量子霍尔效应在三维体系中的发展奠定了重要基础。

关键词：拓扑半金属费米弧量子输运三维量子霍尔效应外尔轨道