拓扑材料电子结构，输运性质及无序效应的理论研究
本文关键词：拓扑材料电子结构，，输运性质及无序效应的理论研究 出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文 论文类型：学位论文
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【摘要】：利用拓扑的概念来表征和分类固体能带的各种量子相已经成为国际上非常关注的研究课题之一。与传统的绝缘体不同的是,拓扑绝缘体的典型特征是在样品边界上存在受拓扑保护的无能隙边缘激发,这种边缘激发能够产生量子自旋霍尔效应并提供量子化的导电通道。与此同时,人们发现体系的拓扑性质还可以用拓扑不变量(如陈数,Z2指数等)来表征。进一步的研究发现,拓扑概念也可以用于表征无能隙的半金属材料。这些材料的共性是,其低能准粒子的动力学可以用无能隙的狄拉克方程或是变形的狄拉克方程来描述,并且在狄拉克点周围具有非平庸的拓扑性质。研究这些拓扑材料中的各种有趣的量子现象不仅仅具有基础物理研究意义,还将为相关的实验和应用提供理论依据。在第一章中,基于现有研究基础,我们系统地介绍如何利用拓扑概念来表征固体能带的各种拓扑量子相:以Haldane模型为例讨论了陈数和量子霍尔电导之间的关系;以质量畴壁模型和BHZ哈密顿量模型为例计算了拓扑绝缘体里很重要的拓扑保护的边缘态;在具有时间反演不变性的自旋轨道耦合作用下,介绍了拓扑不变量(Z2)和量子自旋霍尔效应之间的紧密联系以及相应的数值计算方案。在第二章中,我们总结出一些处理无序问题的标准微扰理论框架,介绍了图形微扰论的计算方法。以石墨烯体系为例,在自洽波恩近似下,计算了准粒子的自能函数,并进一步的讨论了顶角及最大交叉图对于电导率的贡献。以二维,三维狄拉克粒子为例,用微扰论重整化群方案,推导出相应的重整化群流方程。并在此基础上,利用相应的重整化群流方程,分析了无序对拓扑体系的色散关系、态密度、以及电导率等物理量的影响。这些已有的研究表明,无序对于狄拉克类型的准粒子及其输运性质有很大的影响。在第三章的第一部分,我们提出了利用空间周期势的调制,来实现材料从普通绝缘态到量子自旋霍尔态的转变。以HgTe/CdTe量子阱为例,当体系初始处于拓扑平庸相时,随着空间周期势调制强度的增大,我们的计算表明,由于能级排斥效应会导致导带底和价带顶发生相向移动,并导致能带反转,从而实现拓扑量子相变。通过计算体系的自旋陈数和相应的边界态进一步地证实了这个拓扑量子相变的发生和能带反转相一致。有趣的是,随着调制强度的增加,体系还可以呈现出具有多个拓扑保护的边缘量子导电通道的拓扑相,体系相应的能隙大小足以保证体系在室温下工作。从物理上,我们发现不同陈数的量子相之间的转变与体系共振隧穿能级产生交叉一一对应。在第二部分中,我们侧重研究硅烯吸附问题中的杂质态的性质。已有研究表明在硅烯中可以通过施加垂直于材料的电场,从而实现其拓扑量子相变。我们的理论计算结果表明,在拓扑非平庸相中,吸附原子在能隙中会产生束缚态,而在拓扑平庸相里,吸附原子则只能产生共振态。显然,这个观察到的性质可以帮助实验上表征体系的拓扑性质。在探讨有限浓度的吸附原子对边界态输运性质的影响时,我们发现一旦杂质的束缚态能级和入射波能量一致,则体系的量子电导会随着吸附浓度的增加很快的衰减。其物理根源是,体系一边的边界态很容易通过束缚态和另一边的边界态发生共振隧穿,导致背散射,从而使得体系的电导衰减。在第四章的第一部分,利用动量空间Lanczos方案,我们研究了三维狄拉克半金属中半金属相到扩散金属相的量子相变过程中的准粒子性质以及相应的输运性质。我们的数值模拟结果表明,利用准粒子的性质可以很好的表征这个量子相变以及相应的临界行为。通过拟合数值得到自能函数,我们发现准粒子的自能虚部在相变前后满足一个幂指数关系,其指数依赖于无序强度。当体系进入扩散金属相后,狄拉克点处的自能虚部迅速增加,而在量子相变临界点,体系自能虚部的指数为1,相应的自能实部呈现非解析的对数行为。在量子相变临界点附近,我们进一步讨论了这个非解析修正会引起的各种物理量有趣的反常性质。在第二部分中,利用相同的理论数值方案,我们着重研究了短程无序是如何影响石墨烯的准粒子性质。由于石墨烯低能准粒子具有线性色散关系,使其在狄拉克点附近很容易进入强散射区。众所周知,已有的微扰理论以及自洽的微扰理论在强散射区是不能很好的描述准粒子的行为。尽管如此,相应的基于自洽波恩近似和重整化群计算表明,无序散射会导致准粒子性质产生一个对数修正。而我们的数值模拟结果表明,无序散射会引起自能函数产生幂指数修正,而不是对数修正。此外,我们发现这个定性不同会引起很多有趣而新的物理结果,它们尚有待实验验证。值得指出的是,我们发展的动量空间Lanczos数值方案可以推广到讨论各种线性波在强散射区的准粒子行为。在本博士学位论文中,我们研究了几类拓扑材料的电子结构、输运性质及其无序效应,这些理论研究工作不仅加深了对于拓扑材料物理性质的理解,还为这些拓扑材料将来的实验观测和应用提供了理论支持。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O469
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本文编号：1321009
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