我國首次實現聲拓撲絕緣體的量子自旋霍爾效應

2020-11-23 科學技術部

    拓撲絕緣體近年來引起社會極大關注，其電子能帶結構的拓撲性質使之具有獨特的輸運特徵，有望在自旋電子學、熱電以及量子信息領域獲得應用。同時，玻色子（光子和聲子）的拓撲態也引起了學術界的廣泛關注，對於光子，科學家相繼提出了光量子霍爾效應、光自旋量子霍爾效應和光拓撲絕緣體等理論。但由於聲子縱波偏振為零，空氣聲的拓撲態設計極為困難。

    南京大學固體微結構物理國家重點實驗室基於在人工微結構物理和材料（如聲子晶體和光子晶體）方面研究的長期積累，通過實驗驗證了基於聲子晶體偶然簡併的雙重狄拉克點附近能帶反轉構造聲拓撲絕緣體的新機制。其基本原理是：在六角晶格聲子晶體中，C6V的對稱性使其具有兩個二維不可約表示，它為構造四個簡併的贗自旋態提供了基礎。隨著佔空比（半徑/晶格常數）的連續降低，可以使布裡淵區中心兩個兩重簡併的能帶實現從打開、閉合到再打開的全過程。聲子晶體能帶實現了反轉，從而實現聲的拓撲絕緣體設計。

    此項研究首次提出並在實驗上實現了聲拓撲絕緣體，該模型結構簡單、易於構造，有望應用於聲傳播調控和降噪隔聲等領域。驗證了利用人工帶隙材料中偶然簡併Bloch態，為自旋為0的玻色子構造具有滿足費米子時間反演對稱性的贗自旋態，從而實現玻色子拓撲絕緣體的新原理，提出並實現了一種利用量子自旋霍爾效應實現聲學分路器的原型器件。相關成果已在《自然·物理》期刊上發表。

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    2013年Cui-Zu Chang 等在鉻（Cr）摻雜的拓撲絕緣體薄膜中首次從實驗上觀測到了陳數為1的量子反常霍爾效應（Science 340,167-170 (2013) ）。 截止目前，量子反常霍爾效應已在磁性摻雜的拓撲絕緣體（Cr 或V 摻雜的(Bi,Sb)2Te3）外延薄膜、機械剝離的本徵磁性拓撲絕緣體（MnBi2Te4）薄片和魔角石墨烯中實現。
  • 首次在零磁場下實現量子反常霍爾絕緣體中的陳數調控
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  • Nature：首次在零磁場實現量子反常霍爾絕緣體中的陳數調控
    2013年Cui-Zu Chang 等在鉻（Cr）摻雜的拓撲絕緣體薄膜中首次從實驗上觀測到了陳數為1的量子反常霍爾效應（Science 340,167-170 (2013) ）。截止目前，量子反常霍爾效應已在磁性摻雜的拓撲絕緣體（Cr 或V 摻雜的(Bi,Sb)2Te3）外延薄膜、機械剝離的本徵磁性拓撲絕緣體（MnBi2Te4）薄片和魔角石墨烯中實現。
  • 南京大學科研團隊實現高階光學量子自旋霍爾效應
    高校科技進展獲悉，日前，南京大學陳延峰教授團隊、王振林教授團隊合作，首次理論提出並實驗證實了高階量子自旋霍爾效應，這是高階光子拓撲絕緣體方面取得的又一重大突破性研究成果。1879年，美國物理學家霍爾在研究金屬導電機制時發現了霍爾效應。
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    北京時間10月11日消息，美國萊斯大學科學家近日研製出一種微型的「電子高速公路」--「量子自旋霍爾拓撲絕緣體」。研究人員表示，這種微型設備將來可用於製造量子計算機所需的量子比特，這一研究成果將大大促進量子計算機的研究進展。
  • 南京大學科研團隊實現高階光學量子自旋霍爾效應
    高校科技進展獲悉，日前，南京大學陳延峰教授團隊、王振林教授團隊合作，首次理論提出並實驗證實了高階量子自旋霍爾效應，這是高階光子拓撲絕緣體方面取得的又一重大突破性研究成果。德國物理學家克利青我國科學家同樣一直開展針對霍爾效應的科學研究。
  • Nature重磅:首次在零磁場下實現量子反常霍爾絕緣體中的陳數調控
    量子反常霍爾效應由美國物理學家F. D. M. Haldane (2016年諾貝爾物理學獎獲得者）於1988年從理論上預言。2013年Cui-Zu Chang 等在鉻（Cr）摻雜的拓撲絕緣體薄膜中首次從實驗上觀測到了陳數為1的量子反常霍爾效應（Science340,167-170 (2013) ）。
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    最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）姚裕貴研究員以及博士生劉鋮鋮、馮萬祥採用第一性原理，系統地研究了矽烯的晶體結構、穩定性、能帶拓撲和自旋軌道耦合打開的能隙，預言了在矽烯中可以實現量子自旋霍爾效應。　  近幾年來，拓撲絕緣體的研究在世界範圍內飛速發展，並成為凝聚態物理研究中的一個熱點領域。
  • 什麼是「量子自旋霍爾效應」?
    在特定的量子阱中，在無外磁場的條件下（即保持時間反演對稱性的條件下），特定材料製成的絕緣體的表面會產生特殊的邊緣態，使得該絕緣體的邊緣可以導電，並且這種邊緣態電流的方向與電子的自旋方向完全相關，即量子自旋霍爾效應。
  • 一種新的量子材料--拓撲絕緣體
    圖：金屬、絕緣體和拓撲絕緣體的關係最早發現的拓撲絕緣體狀態，可以追溯到20多年前發現的量子霍爾效應。量子霍爾效應分別獲得1985年和1998年兩度Nobel物理學獎，開創了凝聚態物理學的一個新紀元。但由於這種效應需要滿足強磁場和低溫這兩個條件，不利於推廣應用。
  • 我國首次實驗發現量子反常霍爾效應
    近日，我國在量子科學研究中取得重大突破，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，首次觀測到量子反常霍爾效應。該成果被視為世界基礎研究領域的一項重要科學發現。    作為微觀電子量子行為的宏觀體現，量子霍爾效應一直在凝聚態物理研究中佔據極其重要的地位，並可能在未來用於製備低能耗的高速電子器件。然而，量子霍爾效應的產生需要施加強磁場，因此，造價昂貴、體積龐大等因素限制了其走向實際應用。
  • 科學網—首次實現量子反常霍爾效應
    該結果於3月14日在線發表於美國《科學》雜誌。 在凝聚態物理領域，量子霍爾效應研究是一個非常重要的研究方向。發現整數量子霍爾效應與分數量子霍爾效應的科學家分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。 「量子反常霍爾效應不同於量子霍爾效應，它不依賴於強磁場而由材料本身的自發磁化產生。」
  • 拓撲絕緣體簡介
    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。理論上預言，拓撲絕緣體和磁性材料或超導材料的界面還可能發現新的物質相和預言的Majorana費米子，它們在未來的自旋電子學和量子計算中將會有重要應用。拓撲絕緣體還與近年的研究熱點如量子霍爾效應、量子自旋霍爾效應等領域緊密相連，其基本特徵都是利用物質中電子能帶的拓撲性質來實現各種新奇的物理性質。
  • 聲學系統中的量子自旋霍爾效應
    在聲子晶體中實現雙重狄拉克點2. 拓撲相變過程演示3. 聲自旋相關的單向聲傳輸4. 受拓撲保護的聲傳輸前面的推文中已經向大家展示過了二維系統中的聲谷霍爾效應以及彈性波超材料中受拓撲保護的邊界態傳輸，本文以南京大學何程老師2016年的文章(C. He, et al.
  • 量子反常霍爾效應
    重要性1、量子反常霍爾效應使得在零磁場的條件下應用量子霍爾效應成為可能；2、這些效應可能在未來電子器件中發揮特殊的作用，可用於製備低能耗的高速電子器件。科研歷史理論計算得到的磁性拓撲絕緣體多層膜的能帶結構和相應的霍爾電導。
  • ...學系張遠波課題組在本徵磁性拓撲絕緣體中觀測到量子反常霍爾效應
    近日，復旦大學物理學系張遠波、王靖和中國科學技術大學物理系陳仙輝合作團隊首次通過實驗在本徵磁性拓撲絕緣體錳鉍碲（MnBi2Te4）中觀測到量子反常霍爾效應。該研究將為未來本徵材料體系中拓撲物理的研究開闢新思路。
  • 【中國科學報】首次實現量子反常霍爾效應
    最近，由中科院物理所和清華大學等機構的科研人員組成的團隊，首次成功實現「量子反常霍爾效應」。該結果於3月14日在線發表於美國《科學》雜誌。 在凝聚態物理領域，量子霍爾效應研究是一個非常重要的研究方向。發現整數量子霍爾效應與分數量子霍爾效應的科學家分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。
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    英專家：量子反常霍爾效應預示新時代的來臨來源：新華網 2013-04-14  劉石磊        中國科學家從實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應，英國牛津大學專家對此發現予以高度評價，並指出這一成果預示著一個令人興奮的新時代的來臨。