费米子凝聚态(【优博微展2016】董小玉:自由费米子凝聚态体系中与拓扑相关的物理现象)

费米子凝聚态

董小玉:2016年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

自由费米子凝聚态体系中与拓扑相关的物理现象

Topological related physics in free-Fermion condensed matter systems

作    者:董小玉
指导教师:朱邦芬
培养院系:物理系
学    科:物理学读博感言:好奇心和敢于尝试的勇气是最重要的

研究背景/选题意义/研究价值

最近几年,拓扑态及对称性保护的拓扑态成为凝聚态物理研究的一个前沿和热点。拓扑态最大的特点是如果我们连续绝热地改变体系的参数,只要体材料的能隙在这个过程中不合上,其拓扑性质就不会发生改变。拓扑态的表现形式通常为体材料是绝缘体,而其表面上具有无能隙的表面态。这种表面态是被体材料的拓扑性质保护的,所以可以非常稳定地存在。这种性质可以用来制备新型的电子器件。以二维拓扑绝缘体为例,其一维边界处的边界态是不会被非磁性杂质散射的。理论上来说,用这类材料制备的电子器件是不存在散热问题的,可以实现信息的“高速公路”。所以对拓扑态的研究是具有广泛且重要的应用前景的。

主要研究内容

在本论文中我们主要讨论了一些典型的拓扑态,结合理论模型和实际材料,我们预言了若干新的拓扑态存在。我们主要在论文中讨论以下三个方面的问题:

二维狄拉克材料及量子反常霍尔效应:我们发现材料(LaO)2(SbSe2)2的二维薄膜具有多个狄拉克锥,并且其性质可以通过外加电场进行调控。引入磁性掺杂后可以在体系中实现由电场调控的量子反常霍尔效应。

二维反铁磁材料体系中的量子反常霍尔效应及手征拓扑超导态:我们发现在Sr2FeOsO6薄膜中通过外加电场调节可以实现量子反常霍尔态。如果将薄膜长在超导体材料上,可以通过近邻效应引入超导配对,实现手征的拓扑超导态。

三维拓扑晶体绝缘体:我们采用群论的方法,发展了一套对三维拓扑晶体绝缘体进行分类的方法。具有一个表面的三维体系的晶体对称性是由17个二维空间群来描述的。通过确定具有某种特定对称性的半无限体系的所有可能的非平庸表面态,我们可以反推出相应体材料的拓扑性质,并给出拓扑不变量。我们的理论为实验上在实际材料中寻找拓扑晶体绝缘体提供了指导。

(LaO)2(SbSe2)2二维薄膜材料中狄拉克锥附近的三维能带图

Sr2FeOsO6薄膜材料拓扑超导相中的一个手征拓扑边界态

主要创新点

1、我们是第一个发现材料(LaO)2(SbSe2)2的二维薄膜是二维狄拉克材料的。之前研究的二维狄拉克材料的性质大都是由体系的本征性质决定的,很难用实现手段进行调控。而我们发现的材料体系的狄拉克锥的性质是可以通过简单的电学手段进行调控的。在研究狄拉克材料在电子器件的应用方面,这种可调控性是非常重要的。

2、我们首先发现在反铁磁材料Sr2FeOsO6的二维薄膜中可以实现量子反常霍尔相及手征拓扑超导相,并且发现这些拓扑相存在条件是要破坏体系时间反演和空间反演的联合对称性。

3、我们研究了三维拓扑晶体绝缘体的分类问题。拓扑晶体绝缘体表面态的性质是由体系的空间群保护的。由于三维空间群共有230个,而且对于同一个三维体系的不同的表面其空间群是不一样的,如果直接从三维空间群入手研究会非常困难。我们首先提出了可以通过研究具有一个表面的三维体系来对三维拓扑晶体绝缘体进行分类。由于这样的体系对应的空间群是二维空间群(共有17个),所以很大程度地简化了分类的难度。

代表性学术发表

1、Electricallytunable multiple Dirac cones in thin films of the (LaO)2(SbSe2)2family of materials, Xiao-YuDong, Jian-Feng Wang, Rui-Xing Zhang, Wen-Hui Duan,Bang-Fen Zhu, Jorge Sofo, Chao-Xing Liu, NatureCommunications. 6:8517 doi: 10.1038/ncomms9517 (2015).

2、The classification of topological crystalline insulators based on representation theory, Xiao-Yu Dong, Chao-Xing Liu, Physics Review B. 93, 045429 (2016).

3、Time-reversal-breaking topological phases in anti-ferromagnetic Sr2FeOsO6 films, Xiao-Yu Dong, Chao-Xing Liu, e-print Arxiv: 1606.07343 (2016).

来源:清华大学研究生院

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