拓扑节线半金属研究进展

拓扑量子材料包括拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等,是现代凝聚态物理和材料科学的研究重点.本文旨在简要介绍近年来关于拓扑节线半金属材料的研究结果,并重点阐述本课题组在这一领域的最新研究进展.拓扑节线半金属主要可通过能带的简并和色散两个方面来进行分类.在能带的简并方面本文主要介绍不同对称性保护的节线半金属:在时间反演对称性存在的体系中由点式空间群和非点式空间群保护的节线半金属;在时间反演破缺体系中磁序和拓扑序耦合的节线半金属.在能带的色散关系方面,本文主要介绍具有高次色散的高阶节线半金属和由能带倾斜效应导致的第二类节线半金属.     

二维太赫兹拓扑光子晶体的远场探测

随着量子霍尔效应(QHE)在凝聚态物理中的深入研究,一类具有非平庸特性的新型材料——拓扑绝缘体引起了人们极大的兴趣.与此同时,随着人工超材料的发展,一种可以产生新型单向传输模式且无背散射的拓扑光子晶体(Topological Photonic Crystals)引起非常大的关注.在本文中,根据时空反演对称性和量子自旋霍尔效应(QSHE)理论,我们构建了一个工作频率在太赫兹波段的拓扑光子晶体,当扩展或压缩六角蜂窝状晶格时,空间反演对称性会被打破,从而打破能带简并实现光子能隙结构,将具有相反拓扑特性的光子晶体摆放在一起,在它们的交界面可实现具有单向传输且不受缺陷影响的拓扑边界态.本文在太赫兹波段实验表征了该拓扑光子晶体的反射谱特性,发现扩展和压缩六角蜂窝状晶格获得的拓扑光子晶体的反射谷频率分别对应他们各自第一能带p±在Г点处的频率,由此可得知光子能隙的宽度,为拓扑光子晶体的验证提供了新的手段.     

拓扑绝缘体国际发展态势文献计量分析

拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的量子物态,是目前凝聚态物理学最活跃的研究前沿之一。拓扑绝缘体研究不仅对探索和发现新的量子现象具有重要意义,而且具有巨大应用前景和市场潜力。该文基于Web of Science(WOS)和Thomson Innovation(TI)数据库,对拓扑绝缘体研究论文和专利进行了定量分析,呈现了拓扑绝缘体研究的国际发展态势,并对中国拓扑绝缘体研究提出了建议。     

拓扑绝缘体与低维超导体的电输运特性

拓扑绝缘体这种具有新奇量子特性的物质和具有百余年研究历史的超导体都是当前凝聚态物理学领域的研究热点．本文简要介绍了拓扑绝缘体、超导体的研究背景和基本特性,重点回顾了拓扑绝缘体、超导薄膜及纳米桥、超导纳米线以及纳米尺度下拓扑绝缘体．超导异质结构的电输运特性．并对该领域的进一步发展做出了展望．     

超流He系统的拓扑结构研究

本文利用有序介质缺陷的同伦论系统地研究超流He系统的拓扑结构.对于~4He和~3He的A,B相的拓扑结构,给出更严格、更简洁的讨论.尤其是,以代数拓扑理论为工具,本文预言超流~3He系统的四种新相:C,D,E和F相,给出其拓扑结构的示性数,以及C,D相出现的大致物理条件.     

量子物质拓扑相的核磁共振量子模拟

拓扑相是一类不能由经典朗道对称破缺理论描述的奇特物质态.这种态具有一些有趣的性质,如依赖于拓扑流形的基态简并度、准粒子分数统计和拓扑纠缠熵等.拓扑相的性质研究在凝聚态物理中本身具有重要意义,如促进新型材料的发现.另一方面,拓扑相提供了一种天然的无噪声介质,在容错量子计算领域也有着潜在的应用.然而,受限于当前苛刻的实验条件和可控的实验手段,在真实体系中观测并探索拓扑相的性质是一件困难的事情.量子模拟用一个可控的量子系统模拟复杂的或难以观测的物理现象,为我们研究拓扑相提供了有力手段.核磁共振体系作为量子模拟的物理实现平台之一,在多量子比特实验中具有成熟的控制技术和精确的测量手段,是一个很好的测试平台.本文首先介绍拓扑相的基本概念和性质,回顾核磁共振在量子模拟中的应用,然后讨论基于该体系完成的关于拓扑相量子模拟的几个实验工作,最后给出总结并展望此研究领域的前景.     

三维拓扑绝缘体的磁电耦合效应与冷暗物质轴子

介绍了拓扑绝缘体与量子霍尔效应"家族"的关系和由来,并且从轴子模型的起源角度探讨了三维拓扑绝缘体的磁电耦合效应与冷暗物质轴子模型的联系与区别.结果表明:它们的联系在于材料的电子能带结构和QCD真空结构在拓扑特性上相似,因而有相似的电磁响应;但二者的物理起源不同,有关提议的用磁性拓扑绝缘体(TMI)测暗物质轴子的实验探测的轴子应该是外来的而非TMI产生的.     

拓扑绝缘体量子点中的磁交换相互作用

从理论上研究了拓扑绝缘体量子点中的磁交换相互作用.在拓扑绝缘体量子点中,边缘态电子数可以通过量子点的尺寸和外加电场进行调控.当量子点中掺入单个磁离子并且边缘态填充奇数电子时,电子与单个磁离子之间的交换相互作用达到最大值;而边缘态填充偶数电子时,电子与单个磁离子之间的交换相互作用消失.当量子点中掺入2个磁离子时,电子与Mn离子的sp-d相互作用会出现奇偶振荡行为,Mn离子间的相互作用取决于Mn离子间距和量子点壳层中的电子数,表现出典型的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida型间接交换机制.工作澄清了拓扑绝缘体量子点壳层结构对其磁性的影响,有助于人们设计基于拓扑绝缘体量子点的自旋电子学或量子信息器件.     

离散体结构拓扑优化综述

本文分析了离散体结构拓扑优化的尺寸、独立拓扑变量及布局优化模型,讨论了基结构在工程设计和实际应用方面的缺陷及解决方法,评述了离散体结构拓扑优化的求解算法,简单介绍了离散体结构拓扑优化在实际工程中的应用,对拓扑优化的进一步理论研究、实际应用、软件开发做出了展望。     

磁性掺杂三维拓扑绝缘体的自旋相关光电流研究

通过圆偏振光致电流及反常圆偏振光致电流的光学实验方法,研究磁性掺杂对三维拓扑绝缘体的影响.在圆偏振光激发下,相对于未掺杂三维拓扑绝缘体Bi2 Te3,其光电流方向不变,但幅值有所减小.这是由于磁性掺杂使得三维拓扑绝缘体狄拉克能带带隙打开,相同激发条件下,带间激发概率降低,光生自旋极化载流子浓度降低.对其光电导信号的分析...     

规范势分解理论与整体拓扑问题

利用段一士提出的规范势可分解和具有内部结构的思想,使用几何代数方法对SO(n)群用单位矢量场进行了分解,给出了一般形式,并讨论这个分解的性质;由此给出了SU(2)群和U(1)群用单位矢量分解的形式,这正是著名物理学家法捷耶夫1999年所给出的结果.使用SO(n)群规范势分解的一般形式讨论了Gauss-Bonnet-Chern密度的局域拓扑结构,其整体拓扑结构正好是Gauss-Bonnet-Chern定理,由拓扑结构很容易得到Euler-Poincar示性数的Morse理论形式.利用SU(2)群规范势分解研究了–1/2 Bose-Einstein凝聚体,得到了一个新的环流条件,也是Mernin-Ho关系的推广.最后,使用段一士发现的三维黎曼几何的Torsion张量与U(1)规范理论的关系,使用U(1)规范势分解研究了位错线与link数的关系.     

关于Scott拓扑与上拓扑的一个注记

连续格是一般拓扑和格论中的一个重要课题,Scott 拓扑和上拓扑是在连续格上定义的两类较重要的拓扑.本文讨论了在作各种格运算时这两种拓扑的变化情况,作为应用,我们得到了 Scott 拓扑和上拓扑一致的条件.     

拓扑绝缘体中的拓扑不变量及其数值计算

拓扑绝缘体是费米子多体系统中一种对称性保护的拓扑量子态,拓扑不变量是表征拓扑绝缘体的重要物理量。该文在二维无相互作用的费米子拓扑绝缘体中,证明了3种不同拓扑不变量计算公式的等价性,分析了这些计算公式的适用范围;给出了这些拓扑不变量公式的完整数值计算范式;作为范例,通过计算拓扑不变量,得到了Kane-Mele模型的相图。该文为拓扑绝缘体中拓扑不变量的计算提供了完整自洽的计算方法。     

弹性损伤理论的几何-拓扑模型

利用几何-拓扑的方法对弹性损伤进行描述,通过定义的拟塑性应变张量和拟塑性损伤因子张量,使不同材料具有不同损伤机制的损伤模型具有了一致的形式,使材料和损伤机制的不同仅体现在相应的拟塑性应变张量和拟塑性损伤因子张量具有不同的表达式。本文利用几何拓扑的方法推导出了Riemannian空间的弹性损伤连续性方程、几何法则,将材料的这种物理缺陷转化为几何缺陷来加以考虑,使弹性损伤问题转变成为一个弹性问题和一个弯曲空间的叠加。从而避免了其他损伤理论在求解损伤问题时因非线性方程组的复杂性而存在的困难,为研究损伤力学和解决非线性问题提供了一种新的思路。     

φ-映射拓扑流理论在Weyl半金属拓扑分类中的应用

用φ-映射拓扑流理论对厄米及非厄米Weyl半金属进行拓扑分类.对一个给定的哈密顿,在动量空间建立一个由自旋组成的■场,再由这个■场给出拓扑荷密度分布.发现只有在■场模的零点,拓扑荷密度的值才不为零,而这些■场模的零点其实就是Weyl点或Weyl奇异点所在位置.通过对拓扑荷密度的积分,得到了可用于对系统进行拓扑分类的整数拓扑数.     

1—集压缩场拓扑度的推广

本文旨在对一类比1-集压缩场更为广泛的映射建立拓扑度,证明了这种新的拓扑度具有1-集压缩场拓扑度的各种性质,并据此将一些重要的不动点定理加以推广.     

使物理学为之兴奋的奇异拓扑绝缘体

一篇致力于拓扑绝缘体研究的论文(#6)引发了不小的轰动,从而使本期物理学热点论文榜也因此火爆起来.这些特殊材料的体内大部分为绝缘体,而它们非凡的表面状况导致了新的物态,包括在表面上不受阻碍的单相电子流动.这种类型的材料允许电子在室温下能量不受损失地行进.有论文描述了这一新兴领域的发展,指出这些材料在凝聚态物理、纳米技术...     

第一性原理计算在固体物理中应用

拓扑绝缘体,由于其奇异的受时间反演对称性保护的金属表面态,是当前研究的一个热点。本文利用第一性原理计算了拓扑绝缘体的电子结构,考虑了范德瓦尔斯力对拓扑绝缘体带隙的影响,并探讨如何在教学中培养本科生的科研创新能力。     

二维狄拉克费米子及其拓扑态

用能带理论的语言说明何谓拓扑相变、如何用拓扑不变量表示拓扑相变；选取简单而富含物理的二能级系统，求解实际系统的拓扑不变量，展示二能级拓扑相变和倒空间单极点的等价性；进一步通过参数映射，结合单极点模型，说明如何在不计算拓扑不变量的前提下，通过z方向赝自旋分布，快速判断二能级系统是否发生拓扑相变；最后，选取三类典型材料：石墨烯、拓扑绝缘体、外尔半金属，展示并验证此简单判据的有效性。     

应用拓扑空间(组)的同伦等价变换于有序介质状态和缺陷的拓扑分类

该文论述了拓扑空间(组)的同伦等价变换在有序介质状态和缺陷的拓扑分类中的应用问题.首先,我们指出,为使此分类获得简化并把所得到的绝对和相对同伦类集合构造成群,该变换是不可少的;为此,我们将同伦理论中的有关结果整理成“同伦等价变换不变性定理”,以作为这方面的理论基础.其次,为使此定理的应用变得直接简便,我们还给出了关于拓扑空间(组)之间同伦等价的几个命题.最后,应用上述定理与命题,较系统地讨论了状态和缺陷的拓扑分类,其结果被概括成定理1～8.