周期驱动冷原子体系中的新奇拓扑物态

发布时间：2021-08-08 07:53

　　自1982年发现量子霍尔效应以来,受拓扑保护的导电边缘态得到人们的广泛关注,随后与之相关的拓扑绝缘体、拓扑超导体、外尔半金属和光子拓扑绝缘体相继被发现。其中一个有趣的方向就是寻找具有新奇拓扑性质的物态,例如,具有大拓扑数的物态。大拓扑数的物态具有更多的边缘模式,这些边缘模式可以有效地降低接触电阻来改善某些拓扑电子器件的性能。在光子晶体中,这些新奇的物态可以被用来实现无反射的波导管、组合器以及单向光子回路。虽然理论研究表明一些固体物理系统可以实现大拓扑数的物态,但是由于固体系统内部不同形式的自由度之间非常复杂的相互作用,实验实现大拓扑数的物态仍然很困难。研究发现,对系统引入含时周期性调控外场,常规绝缘体也可以表现出非平庸的拓扑性质,这一类绝缘体被称为Floquet拓扑绝缘体。通过某些周期调控手段,比如电磁场和周期性淬火,系统的能带结构和材料性能会被改变。除了在拓扑平庸的绝缘体中实现非平庸的拓扑相,Floquet调控也可以诱导出一个等效的长程相互作用并得到一些新奇的拓扑物态。然而,这些方案在真实材料中仍然难以实现。近年来冷原子系统中人工自旋轨道耦合的成功合成为在冷原子系统中仿真拓扑量子系统... 

【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

不同材料的电子填充态密度

图1-2(a) 所示，给二维样品施加一个电压 ，在垂直样品表面的磁场作用下，电子受到洛伦兹力而在 平面内沿 的垂直方向运动，形成了一个横向电流。实验测量发现，横向电流对应的电导为量子化的 [见图1-3]，即(1.1)其中 和 分别为单位电荷和普朗克常数， 为朗道能级。除此之外，量子霍尔效应还能产生一个手征的边缘态。从经典物理的角度来看，在强磁场的作用下,位于样品内部的电子，会脱离原子的壳层，形成一个个封闭的电流回路；而在样品边界处的电子由于不能脱离样品，因此无法形成这样的电流回路，只能沿边缘传导，且此时两个边界处电子的传导方向相反 (见图1-2(b))。从能带论的角度出发

由于电子存在自旋向上和自旋向下两种状态，因此其对应的 会让电子的简并能级发生分离。若自旋轨道耦合足够大，那么某些价带能级将会高于导带能级，导致二者倒置，如图1-4。此时，能级之间会发生一个闭合再打开的过程，导致了两种不同的拓扑区分。虽然 Kane 和 Mele 预测石墨烯中会出现这种现象，但由于石墨烯内部的自旋轨道耦合非常弱，以至于不能诱导能带之间的倒置。随后 Bervinig，Hughes 和张首晟预测在量子阱里会出现这种由自旋轨道耦合诱导的量子自旋霍尔效应 [1]，并在实验上确实观测到了量子自旋霍尔效应 [33]。量子自旋霍尔效应又被称为拓扑绝缘体，这为凝聚态物理开辟了一个新的领域。1.4拓扑绝缘体的前景拓扑绝缘体凭借其独特的现象，正不断扩展着凝聚态物理的研究范畴。而后拓扑超导体 [35–41]

【参考文献】：
期刊论文
[1]A brief review on one-dimensional topological insulators and superconductors[J]. Huai-Ming Guo.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(03)



本文编号：3329550