中国科大等在二维材料拓扑态研究领域取得系列进展,石墨烯与硅烯中的量子反常霍尔效应获得理论新突破

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合肥微尺度物质科学国家实验室与物理系双聘教授乔振华研究组与校内外同行合作在预言石墨烯和硅烯中的量子反常霍尔效应方面取得新突破,成果发表在3月14日和21日前后两期的国际权威物理学杂志《物理评论快报》上[Phys.Rev.Lett.112,106802;Phys.Rev.Lett.112,116404],后者并入选编辑推荐文章(Editors’Suggestions)。 量子反常霍尔效应是当今凝聚态物理领域一个备受关注的研究热点。传统的量子霍尔效应源于电子在外加强磁场作用下的朗道能级;作为一种新的量子态,量子反常霍尔效应源于材料自身的自旋轨道耦合和局域交换场的联合作用。该效应在1988年由美国科学家F.D.M.Haldane在理论上提出,随后物理学家们试图在多类新型量子材料中实现这一效应,直到2013年才首次由清华大学的薛其坤教授所主导的国际研究团队在超低温的极端条件下的磁性拓扑绝缘体中观测到[Science340,167]。如何在更高温度或其它更易实现的体系里观察到这一新奇的量子效应,具有广泛的基础与应用价值。 由于其独特的晶体结构与线性狄拉克色散关系[如图所示],石墨烯提供了另一种理想的探索量子反常霍尔效应的平台。不同于拓扑绝缘体,石墨烯本身没有磁性并且内禀自旋轨道效应极弱。2010年乔振华博士与合作者提出在石墨烯中通过引入破坏镜面对称性的外禀Rashba自旋轨道耦合作用以及破坏时间反演对称性的局域交换场,可以打开一个拓扑性质非平庸的体能隙来实现量子反常霍尔效应[Phys.Rev.B82,161414]。在随后的工作中,该团队开展了一系列研究来揭示石墨烯中量子反常霍尔效应的微观物理形成机制并提出了多种实验原型,比如周期性或随机性地吸附磁性金属原子。然而,在石墨烯表面金属原子倾向于形成团簇而非形成稀疏吸附分布,意味着通过吸附磁性金属原子在石墨烯中实现量子反常霍尔效应是极端困难的。图片 2

中国科学技术大学教授乔振华课题组与国内外同行合作,在二维体系拓扑量子态的理论研究方面取得系列进展。相关成果发表在《自然-纳米技术》、《物理评论快报》和《物理学进展报告》上。

近日,美国光学学会旗下期刊《Photonics Research》发表我校物理与微电子科学学院2014级电子科学与技术专业本科生张文帅及其指导老师罗海陆教授等人的论文;Photonic spin Hall effect on the surface of anisotropic two-dimensional atomic crystals。该论文揭示了二维原子晶体表面的光子自旋霍尔效应。光子自旋霍尔效应是指在介质折射率梯度扮演的外场作用下,光子波包沿垂直于折射率梯度方向发生自旋分裂的现象。

提起张超凡,大家都会羡慕他的求学历程:2008年从国防科技大学本科毕业后,凭借优异的成绩,破格进入瑞典乌普萨拉大学攻读博士学位。凭借在原子分子物理研究方面的突出成果,获得赴美国斯坦福大学做博士后研究的机会。

量子反常霍尔效应(即零磁场条件下量子霍尔效应)自石墨烯和拓扑绝缘体发现以来受到了凝聚态物理和材料科学领域的广泛关注,并且最近几年实验上也取得了巨大突破。与如何制备出整数量子化的反常霍尔效应截然相反的一个问题是:在无序/杂质存在的情况下,量子反常霍尔效应如何被破坏并最终变为Anderson绝缘体?通过系统地利用电子输运特性研究、贝利曲率分析以及局域化长度计算,乔振华课题组与合作者发现了一种新型的量子反常霍尔效应在自旋反转杂质情况下的Anderson局域化的全新物理机制,即价带和导带对应的贝利曲率在杂质的作用下发生交换从而实现量子反常霍尔效应的局域化。该成果发表在7月29日的《物理评论快报》上[Phys.Rev.Lett.117,056802]。

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今年6月,已经学成回国的张超凡,以第一作者完成的关于“量子自旋霍尔效应”的论文,在《自然·物理》期刊上发表。他在该领域的多项基础研究成果,让人赞叹不已。

由于其独特的线性狄拉克色散关系,石墨烯成为研究各种拓扑量子态的理想载体。通过外部调控(原子吸附或者耦合衬底)诱导铁磁性或者自旋轨道耦合作用,石墨烯被预言可以实现二维Z2拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应。但由于其诱导出的极弱自旋轨道耦合作用,这两类拓扑量子态尚未在实验上实现。除了电子自旋外,石墨烯还拥有谷KK’这一自由度。通过在单层石墨烯的AB两套子晶格中引入不同的在位能或者在双层石墨烯中外加一个垂直电场,可以打开体能隙实现量子谷霍尔效应。但是该拓扑态对体系边缘的构型非常敏感,因而在实验上很难实现。当外加的垂直电场随着空间发生变化,在电场强度为零的附近区域便会形成拓扑受限的一维零模导电态。虽然该拓扑态在2008年已在理论上提出,但是由于实验技术的原因一直没有突破。经过两年的努力,乔振华课题组和美国宾州州立大学教授祝钧课题组合作,在双层石墨烯上实现了该拓扑受限态。由于杂质的原因,虽然未能实现无耗散的整数量子化的电导,但是该电子态的平均自由程可以达到数百纳米。在外加磁场的作用下,杂质引起的谷间散射的影响被极大地削弱,从而使得电导可以接近整数量子化的极限。这一发现极大地促进了由全电操控的无耗散谷电子学器件的发展和应用。该成果发表在8月29日的《自然-纳米技术》上[Nat.Nanotech.10,1038]。

二维原子晶体是指主要以共价键结合形成的单个或少数原子层厚度的新型二维晶体材料,其电子仅能在两个维度上自由运动,因此表现出与块体材料迥异的性质。这类材料能与传统的硅基材料形成互补,并在很多方面更具优势,在下一代光电器件、储能与生物传感器件等领域极具应用前景,已经迅速成为物理学、光电子学、材料科学、纳米科技领域的研究前沿。对二维原子晶体研究的一个重要前提是精确测量其各种物理参数,例如原子层数、电导、霍尔电导、克尔非线性等。这些参数不仅可以用来表征二维原子晶体的外在物理特性,而且与二维原子晶体一些内在禀性紧密相关,比如能带结构、电子输运性质等。然而由于二维原子晶体只具有一层或者数层原子结构的特殊性,给传统测量方法提出了挑战。

提起“霍尔效应”,大家或许并不陌生。2013年,由清华大学薛其坤院士领衔完成的“量子反常霍尔效应”研究报告,在《科学》期刊发表,这是发现“反常霍尔效应”130多年后,人类首次实现“反常霍尔效应”的量子化,被视为世界基础研究领域的一项重要科学发现。

多年来,乔振华及合作者在基于石墨烯的二维材料体系拓扑量子态(如量子反常霍尔效应、量子自旋霍尔效应、量子谷霍尔效应以及拓扑受限一维零模态等)方向进行了一系列的研究,5月13日受邀在物理综述期刊《物理学进展报告》发表文章[Rep.Prog.Phys.79,066501],系统综述了近年来在各种二维材料拓扑态的理论和实验方面的全面研究进展。该工作的第一作者为物理系2014级博士生任亚飞。

张文帅等人发现二维原子晶体表面的光子自旋霍尔效应中的自旋位移对二维原子晶体的晶轴方向、电导、掺杂浓度、跃迁频率等参数非常敏感,从而可通过量子弱测量技术对这些参数进行精确测量。进一步,建立了自旋位移与二维原子晶体的晶轴方向、电导、掺杂浓度、跃迁频率等参数之间的定量关系,为实现对这些参数进行精确测量奠定了重要的理论基础。近年来,量子弱测量的优越性已经在一系列测量实验中得到完美演示,逐渐从理论走向了现实。结合量子弱测量技术,光子自旋霍尔效应在二维原子晶体参数的高精密测量中将具有重要的应用潜力。

如今,张超凡和研究小组在0.6纳米单层薄膜上发现了“量子自旋霍尔效应”,是该领域又一次重要的科学发现。

上述系列研究得到了基金委、中科院、科技部和教育部的资助。中国科大超级计算中心对这些工作的顺利完成也给予了至关重要的支持。

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“我现在思考的问题是,如何把基础研究成果应用于军事领域。”张超凡告诉记者,推进“高精尖”武器装备发展,必须要以基础研究为支撑,才能进一步提升武器装备自主创新能力。

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各向异性二维原子晶体表面的光子自旋霍尔效应

“没有物理学的突破,就没有武器装备的快速发展。”张超凡始终记得申请出国留学时,导师许晓军教授对他说的这句话。2008年,被推荐出国留学的张超凡,向瑞典乌普萨拉大学递交留学申请,校方同意他直接攻读原子分子物理专业博士学位,研究方向是气相团簇。

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据悉,自2015年3月物电院正式启动实施 ;本科生科研能力提升计划以来,先后有6位本科生加入了罗海陆教授领导的自旋光子学课题组。三年来,课题组本科生在《Photonics Research》、《Optics Letters》、《Physical Review A》、《Applied Physics Letters》等物理学一区、二区刊物上共发表论文16篇,其中两篇论文入选ESI高被引论文,一篇论文入选《Photonics Research》杂志封面论文并获得该杂志2017年主编奖,一篇论文入选美国物理评论万花筒专栏。此外,本科生的研究工作多次被美国光学学会、中国光学学会等网站亮点报道。

来到异国他乡,张超凡如饥似渴地学习新知识。国外导师对这位勤奋好学的中国学生十分满意,特别为他申请了瑞典对外交流委员会奖学金。

量子反常霍尔效应随着杂质强度变大逐渐从整数量子化到Anderson局域化的Skyrmion和Meron示意图。随着杂质强度增强,携带整数拓扑电荷的价带和导带劈裂成四个携带半整数拓扑电荷的MeronA-D;杂质强度超过临界值后,携带相反拓扑电荷的B/CMeron发生交换,从而使得能隙以下的总拓扑电荷为零,体系能够变成Anderson绝缘体。

阅读延伸:

张超凡不负众望,凭着一股韧劲,在盐团簇结构、水团簇散射等基础研究方面,取得新的突破。凭着优异的成绩,张超凡获得瓦伦堡基金会奖学金,并被学校推荐到美国斯坦福大学做博士后研究。

《Photonics Research》是由美国光学学会出版的开放获取期刊,重点关注光学与光子学领域的研究热点。该杂志是中科院SCI期刊分区物理学分区中的一区刊物, 2016年影响因子为4.679。

2014年7月,张超凡来到美国斯坦福大学,从事更加“冷门”的凝聚态物理研究。在这个领域,张超凡很快找到感觉,迅速开始了新的研究工作。

论文链接:

在两年多的时间里,张超凡的研究成果先后在《自然·通讯》《物理评论快报》《纳米快报》等国际学术期刊发表。他与研究小组通过对“量子自旋霍尔效应”的深入研究与实验,在世界上首次确认了“二维材料量子自旋霍尔效应”的存在。该成果在《自然·物理》期刊发表后,为深入研究“量子自旋霍尔效应”开启了一个崭新途径。

去年底,张超凡结束在美国斯坦福大学的博士后研究后,立刻回国,将全部精力投入到强军事业中。如今,张超凡在国防科技大学量子信息学科交叉中心参与了3项课题研究,结合在基础研究方面的多年经验,开辟出新的研究方向。

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