蒋建华教授【编辑精选】：拓扑物态材料

本期编辑：蒋建华教授

蒋建华, 苏州大学教授、博士生导师. 中国科学技术大学本科(2004年)、硕博连读博士(2010年). 先后在以色列Weizmann研究所、加拿大多伦多大学从事博士后研究. 2015年起任苏州大学物理学院教授. 担任“全国统计物理与复杂系统学术会议”学术委员会委员, “全国超材料大会”理事会理事, 以及National Science Review、Science Bulletin、Chinese Physics Letter、Chines Physics B、《物理学报》和《物理》等杂志编辑. 主要研究兴趣是拓扑超材料和非平衡统计物理.

编者按

量子霍尔效应的出现改变了人们对物态的基本认识, 更新了描述物相的基本物理理论. 随着拓扑绝缘体的出现, 人们提出和发现了非常丰富的拓扑物态. 这些拓扑物态至今仍然以各种奇特的物理性质激发人们对新奇材料研究的兴趣. 从理论计算到材料和实验, 拓扑物态的研究在更新人们对材料认识的边界. 同时也在发现一些独特、具有新物性和潜在应用的材料. 本虚拟专题为大家带来近期的一些新材料和新进展.

专题论文

Chiral flux phase in the Kagome superconductor AV₃Sb₅

奉熙林, 蒋坤, 汪自强, 胡江平

Science Bulletin, 2021, 66(14): 1384–1388, doi: 10.1016/j.scib.2021.04.043 

最近, 在准二维Kagome超导体AV₃Sb₅中发现的拓扑电荷密度波引起了广泛的关注. 本文研究表明, 该电荷密度波是一种手性磁通相. 从Kagome晶格的对称性出发, 作者发现在该系统中可能出现的与实验观测相符的2×2电荷序中, 手性磁通相具有最低的基态能量. 同时手性磁通相破坏了时间反演对称性, 且表现出反常霍尔效应. 作者具体计算了手性磁通相产生的态密度分布, 这些结果和最新实验结果非常吻合, 表明AV₃Sb₅为研究拓扑、超导体和电子关联提供了全新的平台.

Simulation of higher-order topological phases and related topological phase transitions in a superconducting qubit

牛晶晶, 严通行, 周宇轩, 陶子予, 李小乐, 刘伟洋, 张礼博, 贾浩, 刘松, 严忠波, 陈远珍, 俞大鹏 

Science Bulletin, 2021, 66(12): 1168–1175, doi: 10.1016/j.scib.2021.02.035 

高阶拓扑相的出现带来了新的体态物理和边界态物理, 以及新的拓扑相变类型. 尽管研究者们通过探测边界态的方式, 已在许多平台上证实了高阶拓扑相的存在, 但通过测量体态来直接确定高阶拓扑相及相应的拓扑相变还缺乏实验研究. 为了填补这一空白, 作者利用超导量子比特模拟研究了二维体系的二阶拓扑相及其拓扑相变. 得益于量子模拟器的灵活性和可控性, 作者通过探测体态动量空间中的赝自旋构型, 直接确定了高阶拓扑的实现, 这与以往基于实空间中无能隙边界态的探测实验形成鲜明对比. 通过测量赝自旋构型随参数的演化, 作者观察到新的拓扑相变类型, 包括从二阶拓扑相到拓扑平庸态、以及向陈数不为0的一阶拓扑相的相变. 该工作为高阶拓扑相和拓扑相变的研究提供了新的思路.

Demonstration of topological wireless power transfer

张莉, 杨怡豪, 蒋钊, 陈巧璐, 闫清晖, 吴周祎, 张柏乐, 皇甫江涛, 陈红胜

Science Bulletin, 2021, 66(10): 974–980,doi: 10.1016/j.scib.2021.01.028 

近年来, 基于磁共振和近场耦合的非辐射无线能量传输技术已被广泛应用. 然而, 由于传输效率和功率随着距离增加而大幅降低, 基于双谐振器的无线能量传输系统仅适用于中短距离应用. 基于多中继谐振器的无线能量传输系统可克服该问题, 然而该复杂系统对微扰和缺陷极为敏感. 针对上述问题, 本文实验验证了稳健性拓扑无线能量传输. 电磁能量可通过位于一维无线电波拓扑绝缘体两端的拓扑边界态之间的近场耦合高效传递. 该结构可等效为具有复边界电势的宇称-时间对称的Su-Schrieffer-Heeger链. 此外, 所设计的线圈结构可抑制不相邻线圈之间非必要的交叉耦合. 作者从理论和实验上均验证了即使存在微扰的情况下, 该系统仍可在拓扑边界态的奇异点附近保持极高的能量传输效率. 总之, 这项工作将拓扑电磁材料、非厄米物理和无线能量传输技术三者结合, 为未来电子、交通运输和工业中的长距离无线传输提供稳定、高效的平台.

High-throughput screening for Weyl semimetals with S₄ symmetry

高嘉成, 钱玉婷, 聂思敏, 方忠, 翁红明, 王志俊

Science Bulletin, 2021, 66(7): 667−675, doi: 10.1016/j.scib.2020.12.028 

基于对称性的不可约表示和相容性关系, 人们可以将材料分为拓扑(或平庸)绝缘体(满足相容性关系), 或是拓扑半金属(不满足相容性关系). 但对于外尔半金属的判断通常超出了这种基于对称性方法的能力. 换句话说, 不论材料中占据态能带满不满足相容性关系, 或者对称性指标是否为零, 外尔点都可能出现在该材料中. 本文针对具有S₄对称性的体系提出了一种新型的拓扑不变量χ, 并以此来检测体系中是否有外尔点的存在. χ可以通过一维Wilson-loop方法计算出来. 将这种方法应用到高通量第一性原理计算中, 作者在非磁和磁性体系中预测了大量新的外尔半金属材料. 这些新发现的拓扑半金属材料具有许多独特的性质, 如磁阻挫效应, 超导和自旋玻璃态等. 这些材料为外尔费米子和各种奇异物态之间相互作用研究提供了平台.

Anisotropic gapping of topological Weyl rings in the charge-density-wave superconductor In_xTaSe₂

李宇鹏, 吴毅, 徐陈超, 刘宁宁, 马将, 吕柏江, 姚钢, 刘艳, 白桦, 杨小慧, 乔磊, 李妙聪, 李林军, 邢晖, 黄耀波, 马均章, 史明, 曹超, 刘洋, 刘灿华, 贾金锋, 许祝安

Science Bulletin, 2021, 66(3): 243−249, doi: 10.1016/j.scib.2020.09.007 

型拓扑材料和拓扑相的探索是近年来凝聚态物理中的热点方向. 本文发现铟插层的过渡金属硫族化合物In_xTaSe₂ (112体系)具有两个外尔环, 以及电荷密度波(CDW)和超导电性共存的特点. 在x = 0.58的样品中, 发现在116和77 K温度以下具有2× 3和2×2的公度CDW, 这可以被电阻率、比热和扫描隧道显微镜等测量证实. 角分辨光电子能谱测量发现2×2 CCDW会打开其中一个外尔环的能隙, 而另一个外尔环仍然存在, 且具有理论预言的“drumhead”型表面态. 另外, T_c = 1 K的超导电性和低温偏离s波的临界场行为表明这个材料很可能是拓扑超导体, 这为探索拓扑超导电性提供了新体系.

Topological flat bands in twisted trilayer graphene

马振, 李帅, 郑雅文, 肖萌萌, 江华, 高锦华, 谢心澄

Science Bulletin, 2021, 66(1): 18−22, doi: 10.1016/j.scib.2020.10.004 

本文基于连续模型方法系统地计算了转角三层石墨烯(单层+双层)的电子能带结构以及能带的拓扑性质. 计算结果表明转角三层石墨烯在魔角(约1.12°)附近存在谷陈数非零的拓扑平带. 与转角双层石墨烯不同, 小角度的扭转可以在转角三层石墨烯的狄拉克点打开一个小的能隙, 通过施加垂直方向的外电场, 可以进一步扩大狄拉克点的能隙. 因此, 转角三层石墨烯中存在的是两条孤立的平带. 同时, 这两条平带的谷陈数可以通过扭转角度和外加电场来进一步调控. 拓扑平带的存在表明转角三层石墨烯是一个研究拓扑能带中关联效应的理想平台. 考虑到转角三层石墨烯较低的对称性, 作者预期转角三层石墨烯中的关联电子态会显著不同于转角双层石墨烯和转角双两层石墨烯.

Persistent surface states with diminishing gap in MnBi₂Te₄/Bi₂Te₃ superlattice antiferromagnetic topological insulator

徐丽璇, 毛元昊, 王洪远, 李佳恒, 陈宇杰, 夏云悠悠, 李一苇, 裴鼎, 张敬, 郑慧君, 黄逵, 张超凡, 崔胜涛, 梁爱基, 夏威, 苏豪, Sungwon Jung, Cephise Cacho, 王美晓, 李刚, 徐勇, 郭艳峰, 杨乐仙, 柳仲楷, 陈宇林, 江绵恒

Science Bulletin, 2020, 65(24): 2086–2093, doi: 10.1016/j.scib.2020.07.032 

磁性拓扑材料蕴含拓扑磁电效应等丰富拓扑物理现象, 成为近年来拓扑量子材料研究热点. 最近, 在本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi₂Te₄中发现了量子反常霍尔效应及轴子绝缘体态, 使得此体系引发了广泛的关注. 由MnBi₂Te₄及Bi₂Te₃插层得到的超晶格结构材料(MnBi₂Te₄)_m(Bi₂Te₃)_n, 同样具有本征反磁序及非平庸拓扑相, 为研究磁性与拓扑电子结构相互关系提供了重要的可调控材料平台. 本文利用具有空间分辨能力的激光和同步辐射角分辨光电子能谱系统, 全面且系统地测量了此材料体系中MnBi₄Te₇的电子结构, 发现在MnBi₂Te₄及Bi₂Te₃解理面均存在近零能隙的拓扑表面态; 文章通过变温测量, 发现其体态电子受到反铁磁序的强烈影响, 但其拓扑表面态在反铁磁相变时保持近零能隙不变. 这些结果印证了MnBi₂Te₄体系的不变近零能隙的普遍性, 为理解中磁性与拓扑物态之间相互作用以及其调控提供了重要的谱学信息.

Electrically tunable topological transport of moiré polaritons

俞弘毅, 姚望

Science Bulletin, 2020,65(18): 1555–1562, doi: 10.1016/j.scib.2020.05.030 

在由不同的单层过渡金属硫族化合物堆叠形成的双层范德瓦尔斯异质结中, 两层之间的微小转角可导致摩尔超晶格的出现, 其基态光学性质由位于不同层的电子和空穴通过库仑吸引形成的层间激子主导. 层间激子携带的静电偶极矩使得它可以通过静电势来操控其定向流动, 同时层间激子也具有一定的光学跃迁偶极矩, 它的大小和方向随层间激子在摩尔超晶格中的位置而变化. 本文指出摩尔超晶格中的层间激子与二维平面光学微腔内光子模的杂化可产生两种具备不同拓扑性质的摩尔极化激元, 可导致自旋/谷霍尔效应和偏振霍尔效应. 通过调节两层间的电压改变层间激子与光学腔内光子模的失谐量, 可选择特定种类的摩尔极化激元, 这使得它的拓扑输运现象具备卓越的电场可调性.

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