论文摘要
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。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 任亚飞
导师: 乔振华
关键词: 能带,输运,拓扑,相互作用
来源: 中国科学技术大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 中国科学技术大学
分类号: O469
总页数: 151
文件大小: 13057K
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