本文主要研究内容
作者任亚飞（2019）在《二维拓扑体系及过渡金属薄膜的能带及输运特性研究》一文中研究指出：拓扑概念的引入极大地丰富了传统的凝聚态物理。从体材料角度,根据能带拓扑数对物质态进行分类的标准被引入,量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、拓扑绝缘体等新物质态被提出,超越了传统的朗道范式,并且其在金属领域的推广不仅解释了反常/自旋霍尔效应,还引出了外尔半金属这一物质态;在有限尺寸体系中,绝缘体的拓扑性体现在鲁棒的金属性边界态上,提供了一种难以被杂质散射的低维、低能量耗散电子态;虽然拓扑性对材料的细节特性不敏感,然而,不同的拓扑界面态呈现出一些依赖于材料特性的电子、自旋输运行为,为基础研究和实际应用提供了很好的平台。本论文中,我们发现了一种朗道对称破缺协助产生的新拓扑物质态的迹象,即电荷密度波协助产生的三维量子霍尔效应(第一章),提出两种实现量子反常霍尔效应的新机制,一者基于面内磁化,二者由库仑相互作用诱导产生(第二、三章),研究了基于量子谷霍尔效应和量子反常霍尔效应的拓扑界面态的输运特性(第四章),并构造过渡金属单原子层的模型哈密顿量,为后续研究其输运特性打下基础(第五章)。引入拓扑概念的最重要的因素之一是量子霍尔效应的发现,为了解释这一现象而提出的各种理论成为后续拓扑能带理论的基础。因此,在第一章前半部分,我们将回顾量子霍尔效应的实验特征,以及由其引入的重要的观点。主要包括:(1)Laughlin提出的pumping图像,(2)Halperin基于有限尺寸体系边界态提出的边界态输运理论,(3)Thouless-Kohmoto-Nightingale-Nijs(TKNN)等四人基于周期性势场中,电子在磁场下的霍尔电导提出的TKNN公式。这几种不同的图像可以通过贝利相位这一重要概念统一起来。在后半部分,我们将简介将TKNN公式推广到二维晶体材料中引出的多种零磁场下的拓扑相,包括量子反常霍尔效应、量子谷霍尔效应、以及拓扑绝缘体。最后,我们将介绍二维拓扑相在三维体系中的推广,包括三维拓扑绝缘体和我们最近与实验组合作发现的三维量子霍尔效应的迹象。在第二章,我们将介绍基于面内磁化实现量子反常霍尔效应的新机制。根据对称性分析,我们提出,若想借助面内磁化实现量子反常霍尔效应,材料的结构在忽略磁序的时候需要同时破坏镜面反射对称性和二维面内的空间反演对称性。通过对比平的六角晶格结构(如石墨烯,不满足对称性约束)和弱翘曲的六角晶格结构(如硅烯,满足对称性约束),我们发现面内磁化无法在石墨稀中诱导该效应,但是在硅烯中可以。我们发现,非平庸的拓扑能隙发生在布里渊区中的M点,而非传统的K/K’点,并且呈现陈数土1。当磁化在面内旋转时,陈数呈现±1的拓扑相交替出现,相图具有三重旋转对称性。然而硅烯中实现该效应所需的交换场极大,使得实验实现非常困难。通过考虑多层硅烯、以及具有类似结构的铋双层,我们有效的减少了临界交换场的大小,并发现大陈数的量子反常霍尔效应。在第三章,我们在前半部分研究了谷间耦合机制和有效哈密顿量。为了在(类)石墨烯材料中实现量子反常霍尔效应,需要一些外部手段引入磁性和外秉自旋轨道耦合。这些外部手段可能引入3N × 3N或(?)×(?)的超元胞,这种超元胞导致的布拉格散射可以将K/K’谷耦合起来。通过吸附原子构造超元胞,我们发现,对于具有三重旋转对称性的顶位吸附,由于AB子格点对称性被破坏,会在狄拉克点打开能隙,同时,当谷间耦合强度较大时,这个拓扑平庸的能隙可以被关闭,形成一个半金属,其中导带和价带具有二次接触的能带结构。二次接触处的简并受到C3v对称性的保护。我们同时研究了六角环中心吸附(C6v对称性)和相邻AB格点中心位置的吸附(C2v对称性),发现了谷赝自旋的塞曼场和谷-轨道耦合机制,提供了一种对谷这一赝自旋自由度进行调控的机制,在谷电子学中有潜在应用价值。在第三章后半部分,我们介绍库仑相互作用在二次接触能带中诱导产生的自发量子反常霍尔效应。当费米面处于二次接触点时,体系费米面约化为一个点,二次型的能带结构使得费米面处的态密度非零,在相互作用下可能会打开能隙。借助于严格对角化和密度矩阵重整化群方法,在不考虑电子自旋的情况下,我们数值研究了kagome晶格模型,该模型具有类似的二次接触的能带结构,由于元胞较小,有利于数值上得到收敛的结果。当引入最近邻和次近邻格点上电子-电子的库仑排斥相互作用,我们发现体系自发地破坏时间反演对称性,在能带接触处打开能隙,形成量子反常霍尔效应。时间反演对称性是被自发产生的环路电流破坏的,这种环路电流具有两种手性,即左手和右手,二者能量简并,但是陈数相反,分别为土1。陈数是通过在圆柱结构中引入flux,借助Laughlin提出的pumping的图像计算得到的。我们发现,保护该量子反常霍尔效应的能隙的大小主要依赖于次近邻相互作用,在次近邻相互作用小于最近邻的参数空间中,我们计算发现了鲁棒的拓扑非平庸相,该参数空间更容易在实验上实现,有助于该效应的观测。在第四章,基于量子谷霍尔效应和量子反常霍尔效应等拓扑态,我们研究了拓扑畴壁上电子态的能带和输运特性。本章中,我们将首先回顾基于量子谷霍尔效应的边界态的输运特性研究进展,然后针对量子反常霍尔效应的不同种类边界态进行研究。我们首先考虑借助面外磁化引入的量子反常霍尔效应体系,在该体系中,磁性序参量方向与拓扑数的正负号锁定在一起,磁化向上和向下的磁畴边界上会形成手性的界面态,具有单向传输电流的特性,我们研究了在两条相交的磁畴边界上的电流分配规律,发现反常的电流分配规则,即电流分配倾向于转角小的畴壁,与量子谷霍尔效应的电流分配规律类似。然后,我们进一步考虑基于面内磁化的量子反常霍尔效应,在具有三重旋转对称性的体系中,通过将磁化在面内旋转2π/3,体系将具有相同的陈数,但是,在这种具有相同陈数但不同磁化方向的磁畴边界,我们依然可以发现界面态,这种界面态是螺旋性的,具体能带结构依赖于边界磁畴特性,但由于镜面对称性的破坏,其电流分配呈现手性,在其网格中,边界态的能带呈现多个连续平带,提供了一个很好的研究相互作用影响的体系。在第五章,我们关注过渡金属单层体系,构造过渡金属薄膜的紧束缚模型。薄膜中,原子的局域环境不同于体材料中,这导致简并的d轨道呈现不同的能级劈裂,借助于对称性分析,在不同晶格中,我们给出了不同的能级劈裂规则。同时,为了简化模型,我们借助于Slater-Koster近似,仅考虑了最近邻跃迁,基于s、d和pz轨道建立了紧束缚模型;通过拟合第一性原理能带结构,我们得出了不同材料的模型参数。为后续研究这类体系及其异质结中的电子、自旋输运打下基础。最后,我们将对上述工作进行总结和展望,指出存在的问题和可能的后续研究方向。
Abstract
ta pu gai nian de yin ru ji da de feng fu le chuan tong de ning ju tai wu li 。cong ti cai liao jiao du ,gen ju neng dai ta pu shu dui wu zhi tai jin hang fen lei de biao zhun bei yin ru ,liang zi huo er xiao ying 、liang zi fan chang huo er xiao ying 、ta pu jue yuan ti deng xin wu zhi tai bei di chu ,chao yue le chuan tong de lang dao fan shi ,bing ju ji zai jin shu ling yu de tui an bu jin jie shi le fan chang /zi xuan huo er xiao ying ,hai yin chu le wai er ban jin shu zhe yi wu zhi tai ;zai you xian che cun ti ji zhong ,jue yuan ti de ta pu xing ti xian zai lu bang de jin shu xing bian jie tai shang ,di gong le yi chong nan yi bei za zhi san she de di wei 、di neng liang hao san dian zi tai ;sui ran ta pu xing dui cai liao de xi jie te xing bu min gan ,ran er ,bu tong de ta pu jie mian tai cheng xian chu yi xie yi lai yu cai liao te xing de dian zi 、zi xuan shu yun hang wei ,wei ji chu yan jiu he shi ji ying yong di gong le hen hao de ping tai 。ben lun wen zhong ,wo men fa xian le yi chong lang dao dui chen po que xie zhu chan sheng de xin ta pu wu zhi tai de ji xiang ,ji dian he mi du bo xie zhu chan sheng de san wei liang zi huo er xiao ying (di yi zhang ),di chu liang chong shi xian liang zi fan chang huo er xiao ying de xin ji zhi ,yi zhe ji yu mian nei ci hua ,er zhe you ku lun xiang hu zuo yong you dao chan sheng (di er 、san zhang ),yan jiu le ji yu liang zi gu huo er xiao ying he liang zi fan chang huo er xiao ying de ta pu jie mian tai de shu yun te xing (di si zhang ),bing gou zao guo du jin shu chan yuan zi ceng de mo xing ha mi du liang ,wei hou xu yan jiu ji shu yun te xing da xia ji chu (di wu zhang )。yin ru ta pu gai nian de zui chong yao de yin su zhi yi shi liang zi huo er xiao ying de fa xian ,wei le jie shi zhe yi xian xiang er di chu de ge chong li lun cheng wei hou xu ta pu neng dai li lun de ji chu 。yin ci ,zai di yi zhang qian ban bu fen ,wo men jiang hui gu liang zi huo er xiao ying de shi yan te zheng ,yi ji you ji yin ru de chong yao de guan dian 。zhu yao bao gua :(1)Laughlindi chu de pumpingtu xiang ,(2)Halperinji yu you xian che cun ti ji bian jie tai di chu de bian jie tai shu yun li lun ,(3)Thouless-Kohmoto-Nightingale-Nijs(TKNN)deng si ren ji yu zhou ji xing shi chang zhong ,dian zi zai ci chang xia de huo er dian dao di chu de TKNNgong shi 。zhe ji chong bu tong de tu xiang ke yi tong guo bei li xiang wei zhe yi chong yao gai nian tong yi qi lai 。zai hou ban bu fen ,wo men jiang jian jie jiang TKNNgong shi tui an dao er wei jing ti cai liao zhong yin chu de duo chong ling ci chang xia de ta pu xiang ,bao gua liang zi fan chang huo er xiao ying 、liang zi gu huo er xiao ying 、yi ji ta pu jue yuan ti 。zui hou ,wo men jiang jie shao er wei ta pu xiang zai san wei ti ji zhong de tui an ,bao gua san wei ta pu jue yuan ti he wo men zui jin yu shi yan zu ge zuo fa xian de san wei liang zi huo er xiao ying de ji xiang 。zai di er zhang ,wo men jiang jie shao ji yu mian nei ci hua shi xian liang zi fan chang huo er xiao ying de xin ji zhi 。gen ju dui chen xing fen xi ,wo men di chu ,re xiang jie zhu mian nei ci hua shi xian liang zi fan chang huo er xiao ying ,cai liao de jie gou zai hu lve ci xu de shi hou xu yao tong shi po huai jing mian fan she dui chen xing he er wei mian nei de kong jian fan yan dui chen xing 。tong guo dui bi ping de liu jiao jing ge jie gou (ru dan mo xi ,bu man zu dui chen xing yao shu )he ruo qiao qu de liu jiao jing ge jie gou (ru gui xi ,man zu dui chen xing yao shu ),wo men fa xian mian nei ci hua mo fa zai dan mo xi zhong you dao gai xiao ying ,dan shi zai gui xi zhong ke yi 。wo men fa xian ,fei ping yong de ta pu neng xi fa sheng zai bu li yuan ou zhong de Mdian ,er fei chuan tong de K/K’dian ,bing ju cheng xian chen shu tu 1。dang ci hua zai mian nei xuan zhuai shi ,chen shu cheng xian ±1de ta pu xiang jiao ti chu xian ,xiang tu ju you san chong xuan zhuai dui chen xing 。ran er gui xi zhong shi xian gai xiao ying suo xu de jiao huan chang ji da ,shi de shi yan shi xian fei chang kun nan 。tong guo kao lv duo ceng gui xi 、yi ji ju you lei shi jie gou de bi shuang ceng ,wo men you xiao de jian shao le lin jie jiao huan chang de da xiao ,bing fa xian da chen shu de liang zi fan chang huo er xiao ying 。zai di san zhang ,wo men zai qian ban bu fen yan jiu le gu jian ou ge ji zhi he you xiao ha mi du liang 。wei le zai (lei )dan mo xi cai liao zhong shi xian liang zi fan chang huo er xiao ying ,xu yao yi xie wai bu shou duan yin ru ci xing he wai bing zi xuan gui dao ou ge 。zhe xie wai bu shou duan ke neng yin ru 3N × 3Nhuo (?)×(?)de chao yuan bao ,zhe chong chao yuan bao dao zhi de bu la ge san she ke yi jiang K/K’gu ou ge qi lai 。tong guo xi fu yuan zi gou zao chao yuan bao ,wo men fa xian ,dui yu ju you san chong xuan zhuai dui chen xing de ding wei xi fu ,you yu ABzi ge dian dui chen xing bei po huai ,hui zai di la ke dian da kai neng xi ,tong shi ,dang gu jian ou ge jiang du jiao da shi ,zhe ge ta pu ping yong de neng xi ke yi bei guan bi ,xing cheng yi ge ban jin shu ,ji zhong dao dai he jia dai ju you er ci jie chu de neng dai jie gou 。er ci jie chu chu de jian bing shou dao C3vdui chen xing de bao hu 。wo men tong shi yan jiu le liu jiao huan zhong xin xi fu (C6vdui chen xing )he xiang lin ABge dian zhong xin wei zhi de xi fu (C2vdui chen xing ),fa xian le gu yan zi xuan de sai man chang he gu -gui dao ou ge ji zhi ,di gong le yi chong dui gu zhe yi yan zi xuan zi you du jin hang diao kong de ji zhi ,zai gu dian zi xue zhong you qian zai ying yong jia zhi 。zai di san zhang hou ban bu fen ,wo men jie shao ku lun xiang hu zuo yong zai er ci jie chu neng dai zhong you dao chan sheng de zi fa liang zi fan chang huo er xiao ying 。dang fei mi mian chu yu er ci jie chu dian shi ,ti ji fei mi mian yao hua wei yi ge dian ,er ci xing de neng dai jie gou shi de fei mi mian chu de tai mi du fei ling ,zai xiang hu zuo yong xia ke neng hui da kai neng xi 。jie zhu yu yan ge dui jiao hua he mi du ju zhen chong zheng hua qun fang fa ,zai bu kao lv dian zi zi xuan de qing kuang xia ,wo men shu zhi yan jiu le kagomejing ge mo xing ,gai mo xing ju you lei shi de er ci jie chu de neng dai jie gou ,you yu yuan bao jiao xiao ,you li yu shu zhi shang de dao shou lian de jie guo 。dang yin ru zui jin lin he ci jin lin ge dian shang dian zi -dian zi de ku lun pai chi xiang hu zuo yong ,wo men fa xian ti ji zi fa de po huai shi jian fan yan dui chen xing ,zai neng dai jie chu chu da kai neng xi ,xing cheng liang zi fan chang huo er xiao ying 。shi jian fan yan dui chen xing shi bei zi fa chan sheng de huan lu dian liu po huai de ,zhe chong huan lu dian liu ju you liang chong shou xing ,ji zuo shou he you shou ,er zhe neng liang jian bing ,dan shi chen shu xiang fan ,fen bie wei tu 1。chen shu shi tong guo zai yuan zhu jie gou zhong yin ru flux,jie zhu Laughlindi chu de pumpingde tu xiang ji suan de dao de 。wo men fa xian ,bao hu gai liang zi fan chang huo er xiao ying de neng xi de da xiao zhu yao yi lai yu ci jin lin xiang hu zuo yong ,zai ci jin lin xiang hu zuo yong xiao yu zui jin lin de can shu kong jian zhong ,wo men ji suan fa xian le lu bang de ta pu fei ping yong xiang ,gai can shu kong jian geng rong yi zai shi yan shang shi xian ,you zhu yu gai xiao ying de guan ce 。zai di si zhang ,ji yu liang zi gu huo er xiao ying he liang zi fan chang huo er xiao ying deng ta pu tai ,wo men yan jiu le ta pu chou bi shang dian zi tai de neng dai he shu yun te xing 。ben zhang zhong ,wo men jiang shou xian hui gu ji yu liang zi gu huo er xiao ying de bian jie tai de shu yun te xing yan jiu jin zhan ,ran hou zhen dui liang zi fan chang huo er xiao ying de bu tong chong lei bian jie tai jin hang yan jiu 。wo men shou xian kao lv jie zhu mian wai ci hua yin ru de liang zi fan chang huo er xiao ying ti ji ,zai gai ti ji zhong ,ci xing xu can liang fang xiang yu ta pu shu de zheng fu hao suo ding zai yi qi ,ci hua xiang shang he xiang xia de ci chou bian jie shang hui xing cheng shou xing de jie mian tai ,ju you chan xiang chuan shu dian liu de te xing ,wo men yan jiu le zai liang tiao xiang jiao de ci chou bian jie shang de dian liu fen pei gui lv ,fa xian fan chang de dian liu fen pei gui ze ,ji dian liu fen pei qing xiang yu zhuai jiao xiao de chou bi ,yu liang zi gu huo er xiao ying de dian liu fen pei gui lv lei shi 。ran hou ,wo men jin yi bu kao lv ji yu mian nei ci hua de liang zi fan chang huo er xiao ying ,zai ju you san chong xuan zhuai dui chen xing de ti ji zhong ,tong guo jiang ci hua zai mian nei xuan zhuai 2π/3,ti ji jiang ju you xiang tong de chen shu ,dan shi ,zai zhe chong ju you xiang tong chen shu dan bu tong ci hua fang xiang de ci chou bian jie ,wo men yi ran ke yi fa xian jie mian tai ,zhe chong jie mian tai shi luo xuan xing de ,ju ti neng dai jie gou yi lai yu bian jie ci chou te xing ,dan you yu jing mian dui chen xing de po huai ,ji dian liu fen pei cheng xian shou xing ,zai ji wang ge zhong ,bian jie tai de neng dai cheng xian duo ge lian xu ping dai ,di gong le yi ge hen hao de yan jiu xiang hu zuo yong ying xiang de ti ji 。zai di wu zhang ,wo men guan zhu guo du jin shu chan ceng ti ji ,gou zao guo du jin shu bao mo de jin shu fu mo xing 。bao mo zhong ,yuan zi de ju yu huan jing bu tong yu ti cai liao zhong ,zhe dao zhi jian bing de dgui dao cheng xian bu tong de neng ji pi lie ,jie zhu yu dui chen xing fen xi ,zai bu tong jing ge zhong ,wo men gei chu le bu tong de neng ji pi lie gui ze 。tong shi ,wei le jian hua mo xing ,wo men jie zhu yu Slater-Kosterjin shi ,jin kao lv le zui jin lin yue qian ,ji yu s、dhe pzgui dao jian li le jin shu fu mo xing ;tong guo ni ge di yi xing yuan li neng dai jie gou ,wo men de chu le bu tong cai liao de mo xing can shu 。wei hou xu yan jiu zhe lei ti ji ji ji yi zhi jie zhong de dian zi 、zi xuan shu yun da xia ji chu 。zui hou ,wo men jiang dui shang shu gong zuo jin hang zong jie he zhan wang ,zhi chu cun zai de wen ti he ke neng de hou xu yan jiu fang xiang 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自中国科学技术大学的任亚飞，发表于刊物中国科学技术大学2019-07-12论文，是一篇关于能带论文,输运论文,拓扑论文,相互作用论文,中国科学技术大学2019-07-12论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自中国科学技术大学2019-07-12论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
标签：能带论文; 输运论文; 拓扑论文; 相互作用论文; 中国科学技术大学2019-07-12论文;