npj: 新型拓撲氧化物助力拓撲電子態萬花筒

2021-01-16 騰訊網

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新型拓撲電子材料的發現帶來了發現新物理的機會。迄今，很多拓撲材料已經由理論提出並被實驗驗證。可惜的是，拓撲氧化物的存在仍舊缺少令人信服的實驗證據。

福建師範大學的張薇副教授與中國科學院物理研究所的翁紅明研究員、武漢大學的餘睿教授等合作，運用第一性原理計算和對稱性分析相結合的方法，提出在燒綠石結構的Tl2Nb2O6+x（0≤x≤ 1.0）中，氧含量在實驗上的連續可調會導致多種不同的拓撲電子態。通過改變氧含量和/或調節晶體對稱性，可以得到拓撲絕緣體、狄拉克半金屬和三重簡併點半金屬等。這些由氧的固溶體驅動的拓撲相變是獨特的、合乎物理的，其本質是源於T1+和Tl3+的價態改變。該研究有望豐富拓撲電子材料的知識，促進其在氧化物中的應用前景。另外，在同一系列中實現多種拓撲電子態，將促進不同拓撲電子態間的轉變、耦合機制的研究，這有望產生新的物理及有趣的輸運性質。

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相關焦點

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  • 多價態鈷氧化物薄膜體系B位陽離子遷移驅動的多態拓撲學相變
    研究表明，通過控制離子的有序遷移，可在過渡金屬氧化物ABOx中誘導產生拓撲學結構相變（topotactic phase transformation），從而實現材料在磁、光和電方面的物性調控。同時，離子遷移驅動的拓撲學相變過程的人工調製在化學傳感器、離子分離膜、固體氧化物燃料電池、離子電池、氧化還原催化等領域具有重要的應用價值。
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  • 進展 | 多價態鈷氧化物薄膜體系B位陽離子遷移驅動的多態拓撲學相變
    研究表明，通過控制離子的有序遷移，可在過渡金屬氧化物ABOx中誘導產生拓撲學結構相變（topotactic phase transformation），從而實現材料在磁、光和電方面的物性調控。同時，離子遷移驅動的拓撲學相變過程的人工調製在化學傳感器、離子分離膜、固體氧化物燃料電池、離子電池、氧化還原催化等領域具有重要的應用價值。
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  • 用鐵電「場效應」拓撲絕緣體
    這是一類有些怪異的材料：從能帶角度看，這類材料的體相是絕緣體、帶隙不算很小，但其表面態卻是導電金屬態，故稱拓撲絕緣體。拓撲絕緣體體態與表面態之迥異源於其獨特的能帶結構 (拓撲非平庸)。更為甚者，這種金屬導電錶面態受體相對稱性保護、具有線性色散關係。因此，表面態輸運必定具有高遷移率、低耗散特性，很顯然是下一代高速 / 低耗散電子器件的重要選材，也是實現更多量子新功能的基本載體。
  • 拓撲絕緣體簡介
    拓撲絕緣體具有新奇的性質，雖然與普通絕緣體一樣具有能隙，但拓撲性質不同，在自旋-軌道耦合作用下，在其表面或與普通絕緣體的界面上會出現無能隙，自旋劈裂且具有線性色散關係的表面/界面態。這些態受時間反演對稱性保護，不會受到雜質和無序的影響，由無質量的狄拉克(Dirac)方程所描述。
  • 石墨烯又出新發現：能讓電子產生拓撲量子態，革命性的巨大潛力
    現在，更令人驚訝的是，物理學家發現，在一定條件下，相互作用的電子可以產生所謂的「拓撲量子態」，其研究發現發表在《自然》(Nature)期刊上，這對許多技術研究領域都有影響，尤其是信息技術。物質的拓撲態是一類特別耐人尋味的量子現象，研究結合了量子物理和拓撲學。
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    零維馬約拉納零能模具有非定域關聯和非阿貝爾統計性質，可以對其進行編織操作，進而實現拓撲量子計算。因此近十年來，拓撲超導態的研究逐漸成為凝聚態物理的重要研究方向。 不同的對稱群可以保護不同的拓撲物態，因此在各種對稱群下對拓撲物態進行分類是發現新型拓撲物態的重要一步。
  • 拓撲分類：一維定域磁群下的新型拓撲超導態 | NSR
    不同的對稱群可以保護不同的拓撲物態，因此在各種對稱群下對拓撲物態進行分類是發現新型拓撲物態的重要一步。，發現了新奇的拓撲超導態，以及局域在端點的馬約拉納零能模。，發現了奇特的helical Z + chiral Z分類的拓撲態，在其端點可以同時存在helical或chiral的馬約拉納零能模。
  • 拓撲態貢獻的高次諧波產生研究取得進展
    中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室在強雷射電場與拓撲新物態相互作用新現象和新物理研究中取得進展，實驗上首次證實了拓撲表面態貢獻的高次諧波輻射，並揭示了其物理機制，為拓撲強場物理和強場與物質相互作用領域的研究帶來了新的推動力。
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    拓撲絕緣體是當前凝聚態物理的研究熱點之一。這類材料不同於傳統的「金屬」和「絕緣體」，其體內為有能隙的絕緣態，而表面則是無能隙的金屬態。這種金屬表面態是由內在電子結構的拓撲性質決定的，受時間反演不變性的保護，因而受缺陷、雜質等外界影響較小。目前發現的和實驗研究的拓撲絕緣體大部分是半導體材料，電子間的關聯效應很小，理論分析較為簡單。
  • 科學家預言新型二維大能隙拓撲絕緣體
    眾所周知，二維拓撲絕緣體的體內是絕緣的，而其邊界是無能隙的金屬導電態。
  • 科學家首次證實拓撲表面態貢獻高次諧波輻射
    中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室在強雷射電場與拓撲新物態相互作用新現象和新物理方面取得重要進展，實驗上首次證實了拓撲表面態貢獻的高次諧波輻射並揭示了其物理機制，為拓撲強場物理和強場與物質相互作用領域的研究帶來了新的推動力。相關成果近日發表於《自然—物理》。
  • 聲子的Berry相位與拓撲效應
    另一方面，新型拓撲量子物態的發現，如量子霍爾效應、量子反常霍爾效應、量子自旋霍爾效應、拓撲絕緣體、拓撲半金屬等，從根本上改變了人們對電子態的認識，並對電子學、自旋電子學、拓撲量子計算等領域產生了革命性的影響。最新的研究工作將拓撲的物理概念引入聲子學，利用Berry相位、拓撲等新奇的量子自由度，實現全新的聲子操控，因此誕生了一個新興的研究領域——拓撲聲子學。
  • 北大:拓撲保護下實現單向輻射導模共振態—新聞—科學網
    通過操控拓撲荷演化 北京大學信息科學技術學院電子學系、區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室副教授彭超課題組與麻省理工學院、賓夕法尼亞大學等學者合作，從拓撲光子學視角提出一種在單層矽基板上不依靠反射鏡而實現定向輻射的新方法。相關研究成果以《拓撲保護的單向導模共振態觀測》為題，4月22日在線發表於《自然》。
  • 哈工大(深圳): 鐵性薄膜和異質結拓撲結構的研究進展
    然而，在鐵電材料當中，雖然不存在D-M相互作用和磁交換作用，但是由於彈性能、靜電能和梯度能之間的相互競爭，鐵電體系也存在類似於磁性拓撲態的非平凡拓撲結構。相對於鐵電材料，磁性材料的拓撲結構已經得到了廣泛的研究，拓撲結構和導電電子自旋之間的相互作用可以導致許多新型的拓撲性質(如拓撲霍爾效應)和潛在的自旋電子學應用。在觀察磁性材料中各種各樣的自旋拓撲結構的啟發下，鐵電體的極性拓撲結構的研究也引起了研究者們極大的興趣。在鐵電體中，彈性能、靜電能和梯度能之間的相互競爭，鐵電材料也會出現自發的非平凡拓撲結構。
  • 哈工大Adv.Mater:鐵性薄膜和異質結拓撲結構的研究進展
    然而，在鐵電材料當中，雖然不存在D-M相互作用和磁交換作用，但是由於彈性能、靜電能和梯度能之間的相互競爭，鐵電體系也存在類似於磁性拓撲態的非平凡拓撲結構。最近的研究表明，非平凡自旋/極性拓撲結構的出現均伴隨著大量新奇的物理特性（如拓撲霍爾效應和負電容等）。
  • npj: 比特不夠，拓撲來救—反鐵磁體中的雙半子團簇
    磁性雙半子是磁性斯格明子的面內拓撲對應物。儘管這兩種自旋結構是拓撲等價的，其靜力學與動力學特性卻截然不同。從物理與自旋電子應用的角度來說，二者均具有重要的研究價值。最近，香港中文大學（深圳）周豔教授等的研究表明，在具有平面內磁各向異性的手性反鐵磁薄膜中，存在形態豐富的雙半子拓撲自旋結構，並能夠通過極化電流實現靈活操控。