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卡奇娱乐官网清华大学物理系研究团队发现内禀
添加时间:2019-07-11
 

  卡奇娱乐近日,清华大学物理系何珂、薛其坤等人的实验研究团队和徐勇、段文晖等人的理论研究团队合作首次发现了一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi,为提升量子反常霍尔效应的温度开辟了一条新的道路,并为多种新奇拓扑量子物态和效应的研究提供了一个理想平台。此项研究相关实验结果以《内禀磁性拓扑绝缘体的实验实现》(“Experimental realization of an intrinsic magnetic topological insulator”)为题发表于日前出版的《中国物理快报》(家族范德瓦尔斯层状材料中的内禀磁性拓扑绝缘体》(“Intrinsic magnetic topological insulators in van der Waals layered MnBi-family materials”)为题发表于日前出版的《科学·进展》(

  拓扑绝缘体是一类由时间反演对称性保护的拓扑物态,因此是非磁性的。有意思的是,人们在拓扑绝缘体中期待的新奇量子效应之中的相当一部分需要引入磁有序破坏其时间反演对称性才能出现。一个典型的例子就是量子反常霍尔效应一种无需外加磁场就可出现的量子霍尔效应,这种效应即是通过在拓扑绝缘体中掺杂磁性元素引入磁有序而首次实验实现的。然而通过磁性掺杂在拓扑绝缘体中引入磁有序并非一个理想的方法。磁性掺杂会给材料带来高度无序及电、磁学性质的不均匀性,这导致了极低的量子反常霍尔效应实现温度(远低于铁磁居里温度),还会严重干扰如手征马约拉纳模这样需要精细控制的实验研究。一个理想的磁性拓扑绝缘体应当是内禀的,即具有确定化学计量比,磁性元素有序排列,居里温度之上是拓扑绝缘体,居里温度之下具有长程铁磁序。尽管之前有一些理论探索,磁性拓扑绝缘体一直未能在实验上获得。

  图1. 分子束外延生长的内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的实验测量结果。(A)高分辨电子显微镜图显示了MnBi2Te4特征性的“七层”结构;(B)角分辨光电子能谱显示出MnBi2Te4的狄拉克型表面态,表明其是一个三维拓扑绝缘体;(C)霍尔电阻随磁场变化曲线呈阶梯状,显示在外磁场作用下MnBi2Te4的“七层”间磁构型由反铁磁到铁磁的转变。

  清华大学物理系何珂、薛其坤等人的实验研究团队和徐勇、段文晖等人的理论研究团队合作首次发现了一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4。卡奇娱乐这是一种层状磁性材料,每一个“七层”(septuple-layer, SL)单元包含一个Mn单原子层。他们通过交替生长Bi2Te3和MnTe的方法制备出了这种材料的单晶薄膜,其特征的“七层”结构被高分辨电子显微镜和X射线衍射清晰确认。通过角分辨光电子能谱测量,他们发现这种材料只要层厚不低于两个“七层”就会具有狄拉克型表面态,表明这是一个三维拓扑绝缘体(图1)。结合磁性测量结果和第一原理计算他们发现这种材料的体相是一种反铁磁拓扑绝缘体:Mn原子的磁矩在每个“七层”内铁磁排列,在“七层”之间反铁磁排列。理论计算结果发现这种独特的磁结构会使这种材料显示极其丰富的、性能优异的拓扑量子物态:其层厚为奇数“七层”的薄膜处于量子反常霍尔相,层厚为偶数“七层”的薄膜处于轴子绝缘体相(axion insulator)并呈现拓扑磁电效应,三维体相是追寻已久的具有拓扑轴子表面态的反铁磁拓扑绝缘体,在外加磁场下又可转变为最简单(只有一对外尔点)的磁性外尔半金属(图2)。此外,磁性可以在这种材料的拓扑表面态上可以打开高达52meV的能隙,这意味着其有可能在更高温度下实现量子反常霍尔效应等量子效应。

  图2. 内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4理论计算结果。(A)单层MnBi2Te4的晶体结构,对Mn元素进行替换可生成一大类MBi2Te4相关材料。(B)通过维度与磁性调控,MnBi2Te4家族材料能实现丰富的拓扑物相,包括反铁磁拓扑绝缘体(AFM TI)、外尔半金属(WSM)、量子反常霍尔 (QAH) 效应、轴子绝缘体(AI)等。(C, D)单层MnBi2Te4的能带结构及其示意图,其中Mn原子具有半满的d轨道,费米面附近的电子态主要由Bi/Te的p轨道贡献。因此,在MnBi2Te4中,Mn和Bi/Te原子层分别提供磁性和拓扑,这两种量子序在同一种材料中实现了完美的结合。

  MnBi2Te4有序的磁性原子排列、巨大的磁能隙,以及所蕴含的丰富的拓扑相使其成为一个理想的磁性拓扑绝缘体系统,为量子反常霍尔效应实现温度的提高指示了一条新的道路,并可以作为研究多种拓扑物态和效应的平台,用于探索维度、磁性、对称性与拓扑之间相互作用以及由此演生出的新物理与新应用。此工作相关论文的预印本已引起了国际上拓扑物态、二维材料等领域研究者的广泛关注。最近在这种材料的单晶解离薄片样品中量子反常霍尔效应已经被实验观测到(arXiv: 1904.11468; 1905.00715),所需温度确实要高于磁性掺杂拓扑绝缘体。

  该项工作实验部分论文的第一作者为清华大学物理系博士生龚演,共同通讯作者为何珂教授、薛其坤教授和徐勇副教授。理论部分论文的第一作者为清华物理系的博士生李佳恒,共同通讯作者为清华大学物理系徐勇副教授、段文晖教授和何珂教授。上述工作的合作者还包括清华大学的顾秉林教授、姚宏教授、于浦教授、王亚愚教授、张定副教授、斯坦福大学的张首晟教授、中科院物理研究所的谷林研究员等以及博士生郭景文、廖孟涵、朱科静、李阳、杜石桥、王尊等。该工作得到国家自然科学基金、科技部、北京未来芯片技术高精尖创新中心、清华大学自主科研计划、北京量子信息科学研究院的支持。

  4月30日,清华大学物理系教授张广铭课题组近期在量子拓扑相变理论方面取得重要进展,在美国物理学会出版的国际权威期刊《物理评论快报》上,以“自对偶拓扑张量网络态中演生出无能隙库仑气体态”为题,发表研究论文。此项研究揭示了二维量子拓扑物态基本的环面编码(Toric Code)模型在电磁对偶路径上的新颖量子拓扑相变和临界行为,部分地回答了物理学中一个悬而未决的重要难题,并提供了完全解决该问题的新思路。

  由清华大学物理系天体物理中心崔伟教授主导提出的“宇宙热重子探寻计划(HUBS)”国际空间科学项目于10月15日至10月17日在上海崇明岛举行第三次国际研讨会。此次研讨会由同济大学、上海天文台和上海航天技术研究院承办。

  1月15日,清华大学物理系张定助理教授、徐勇助理教授和薛其坤教授研究团队在《自然-物理》期刊发表了题为《薄层锡烯中的超导电性》(Superconductivity in few-layer stanene)的论文,报道了在薄至两个原子层厚度的灰锡—锡烯—中,首次发现了二维超导电性,并揭示了其拓扑非平庸物性。

  12月18日,清华大学物理系于浦课题组《自然·通讯》期刊上发表《利用氧离子型栅极实现磁电耦合》的论文。研究利用具有较高氧迁移能力的SrCoO2.5外延薄膜与金属Co形成的异质结构,将氧离子型磁电耦合器件的工作温度降低至室温,并将响应速度提高四个数量级。该项成果对于克服离子型磁电耦合器件不耐高温、响应慢的缺点,对解决当前离子电子学、自旋电子学中的这个重要问题提供了新的途径。

  11月13日,清华大学物理系尤力研究组在《物理评论快报》期刊在线发表题为《宽的d波费希巴赫共振及其三劈裂结构的测量》的论文。文章报道的宽d波费希巴赫(Feshbach)共振为国际上首次发现,对后续高分波相互作用的研究有着指导性的意义,也为研究与高分波配对相关的量子模拟提供了一个崭新的机遇。基于它的潜在应用价值,该工作被选为《物理评论快报》的编辑推荐文章(Editors’ Suggestion)。

  8月9日,物理系助理教授张定、副研究员王立莉、教授薛其坤、与中科院大连化物所姜鹏研究员、包信和教授等合作,在《自然-通讯》(Nature Communications)在线发表题为《钛酸锶上单层铁硒中的电荷转移及电声耦合增强的起源》(”Origin of charge transfer and enhanced electron-phonon coupling in single unit-cell FeSe films on SrTiO3”)研究论文。论文阐述了钛酸锶中能带弯曲导致的电荷转移以及强化的钛氧(Ti-O)键对电声耦合的增强作用,在解决该体系的高温超导机理方面走出了非常关键的一步。

  2月10日,清华大学物理系尤力教授研究组在《科学》(Science)发表题为《通过量子相变确定性产生量子纠缠》(Deterministic entanglement generation from driving through quantum phase transitions)的研究论文,报道了在国际上首次利用原子玻色爱因斯坦凝聚体(BEC)确定性地制备对精密测量具有重要意义的量子纠缠态。

  近日,由中国科学技术大学潘建伟院士及同事张强、陈腾云与清华大学、中科院微系统所、济南量子技术研究院等单位科研人员组成的联合团队,采用清华大学王向斌小组提出的4强度优化理论方法(optimized four-intensity decoy-state method),在国际上首次实现超过400公里抵御量子黑客攻击的测量设备无关量子密钥分发,极大地推动了兼顾安全和实用的远距离光纤量子通信的发展。

  9月5日,清华大学物理系周树云、陈曦和富士康纳米科技中心吴扬,在《自然物理》(“Nature Physics”)在线发表题为“第二类外尔半金属二碲化钼中拓扑费米弧的实验证实”(“Experimental observation of topological Fermi arcs in type-II Weyl semimetal MoTe2”)的论文,首次报道了破坏洛伦兹不变性的第二类外尔半金属二碲化钼的拓扑费米弧实验证据。

  本项研究首次直接测量到石墨烯/氮化硼的原始和第二级狄拉克锥能带结构,并且在狄拉克锥处发现高达160 meV和100 meV的能隙,从而揭示了空间反演对称性破缺在石墨烯/氮化硼异质结的能隙和能带调控中的重要性,展示了范德华异质结丰富的物理特性。

  清华大学物理系季帅华助理教授和陈曦教授团队合作,在铁电薄膜方面取得重要进展,相关成果《原子级厚度碲化锡薄膜面内铁电性的发现》(Discovery of robust in-plane ferroelectricity in atomic-thick SnTe)发表在7月15日出版的《科学》(Science)上。

  清华大学物理系肖志刚研究小组和广西师范大学欧立教授等人合作,在物理学国际权威杂志《物理评论快报》 (Physical Review Letters)上发表《氘核的动力学同位旋矢量取向与核对称能探针》(Dynamic Isovector Reorientation of Deuteron as a Probe to Nuclear Symmetry Energy),首次揭示氘原子核与重靶核散射中一种新的可观测极化效应,即同位旋矢量极化效应。这一新效应的提出,为人们观测核力对质子和中子作用的轻微差异提供一种新的敏感探针,将有助于解决一直以来悬而未决的、亚饱和密度区核物质对称能的密度依赖问题。物理系肖志刚为本文通讯作者,广西师范大学欧立为本文第一作者。

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