两种二维异质结体系中手性声子的第一性原理研究

发布时间：2020-04-28 21:11

【摘要】：在经典物理学理论中,声子一直被认为是线性极化的,不具有角动量。直到最近几年,人们从理论和实验上发现声子是有角动量的。磁性材料中,声子角动量将会修正爱因斯坦德哈斯效应测得的磁旋比。非磁性材料中,虽然声子的总角动量为零,但是空间反演对称性的破缺将使得每个声子模带有角动量。也就是说声子是手性的,这一理论最近被实验证实。随着手性声子的实验验证,声子手性的研究在许多领域引起了人们的关注,具有重要的应用价值。本文通过第一性原理来研究石墨烯/六方氮化硼(G/h-BN)这种层间异质结中的手性声子以及AB型氮化硼和BA型氮化硼构成的层内异质结界面处的手性声子模。我们通过第一性原理系统地研究了 G/h-BN这种经典异质结中的手性声子。研究发现,G/h-BN异质结空间反演对称性的破坏和层间相互作用的存在,不仅打开了带隙,而且打开了在第一布里渊区角(谷)处的简并点并赋予它们左手或右手手性声子。在能谷中,杂化使得手性声子模完全由单独层贡献。此外,我们证明了垂直应力能有效地调节非简并处声子的带隙,同时保持G/h-BN异质结中谷声子的手性,这有利于利用手性声子的实验测量。我们还分析了谷声子模中的赝角动量,为谷间电子散射过程中手性声子的激发和测量提供了重要参考。总的来说,我们对G/h-BN异质结系统中手性声子的研究结果可以吸引更多的研究人员在实验上和理论上进行研究,从而促进基于声子手性的声子学在未来的潜在应用。另外,我们利用第一性计算原理研究了具有同质键线缺陷的准一维层内异质结中受拓扑保护的手性声子。研究发现,zigzag型氮化硼层内异质结纳米带和氮化铝层内异质结纳米带(Z-ABBA/BN纳米带和Z-ABBA/AlN纳米带),由于同质键缺陷的存在而出现拓扑边界模。对于受拓扑保护的声子能带,缺陷附近的原子做圆偏振运动,振幅从中间向两端递减,纳米带两端原子几乎没有圆极化。然而,没有缺陷的纳米带(Z-ABAB/BN纳米带和Z-ABAB/AlN纳米带),不会出现拓扑保护的手性边界模。我们的研究结果揭示了在层内异质结纳米带材料中激发和测量受拓扑保护手性声子的可能性。
【图文】：

角动量,声子,晶体结构

图１．２邋ＧａＮ的晶体结构和ＧａＮ的声子角动量。：ｓ：逡逑作为极性体系的一个例子，我们讨论纤锌矿结构的ＧａＮ邋（空间群：ｐ６３ｍｃ）逡逑的响应张量，此结构原胞具有四个原子，如图１．２（ａ）所示。当我们取极性轴沿着逡逑ｚ轴旋转时，根据对称性分析，响应张量的非零元素ａ，，为如图１．２（ｅ）逡逑所示。我们分别利用键控的价力场模型和第一性原理计算纤锌矿ＧａＮ声子色散，逡逑如图１．２（ｃ）和１．２（ｄ）所示。价力场模型和第一性原理计算结果相符合，除了纵向逡逑和横向光学带在长波长极限下的分裂外，能带结构的总体特征相似。图１．２⑴和逡逑１．２（ｈ）给出了声子角动量分布的例子，与Ｒａｓｈｂａ系统中的自旋结构相似。图１．２逡逑（ｇ）和１．２邋（ｉ）给出了原子在第六支和第十一个支模的原子轨迹，通过对比两图，第逡逑十一模中氮原子的振荡远大于镓原子的振动，而镓原子在第六模中的振动较大。逡逑在温度Ｔ＝３００Ｋ时

原理图,刚体,热流,原理图

典型的声子运动的时间尺度长得多时，这种守恒就成立了。例如，在极性晶体中，逡逑当热流沿ｙ方向流动时，产生沿ｘ方向的声子角动量，并且将其转换为刚体旋转，逡逑如图１．３⑷所示。类似地，在Ｔｅ中的情况，如图１．３（ｂ）所示。接下来，我们估逡逑算ＧａＮ刚体旋转的角速度0），将样品尺寸设为ｌ＾ＬｘＬ，声子弛豫时间设为Ｔ？１０逡逑ｐｓ，样品尺寸Ｌ上的温差用ＡＴ表示。刚体旋转的角动量表示为Ｊｆｉｇｉｄｂ°ｄ＞Ｌ３＝ｋｏ，逡逑其中Ｉ邋＝邋ＭＬ２／６是样品的惯性矩，其总质量为Ｍ。刚体旋转的角速度为逡逑／Ｉ邋＾邋ＡＴ／（ｌＫ）邋ｘｉ0－２ｉ５－ｉ逦（１－２－５）逡逑｛Ｌ／ｉｈｎ）Ｊ逡逑然后，通过将温差设置为ＡＴ＝１０Ｋ，当Ｌ＝１０0ｎｍ时，，ｗ估算为１０＿８ｓＨ；当Ｌ邋＝逡逑ｌｐｍ时，ｗ估算为ｌ（Ｔ２ｓ＿Ｉ。因此角动量的大小可以进行实验测量，进而得到声逡逑子角动量。逡逑１．１．３非磁性体系中的手性声子逡逑根据以上的研究发现声子是有角动量的，但是由于自旋声子相互作用小，得逡逑到的声子角动量难以测量。那么对于非磁性体系的声子角动量大小如何呢，下面逡逑介绍非磁性体系中的手性声子。声子是携带角动量的
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O469

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