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www.mgm4858.com【学术活动预告】声子晶体中的狄拉克点及拓扑相变

最近我校物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究组和德国汉堡大学Schmelcher教授和曹鲁帅博士合作发现了一种新型的声子频率梳,该工作于2014年2月正式发表于Physical
Review Letters vol. 112, p075505。

物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究组与Argonne National
Laboratory黄先荣博士合作,将无序结构进行工程化设计,成功实现了光频等离激元的安德森局域化,他们题为“Strong
Localization of Surface Plasmon Polaritons with Engineered
Disorder”的论文最近发表于Nano Letters
第18卷,第1896-1902页(

报告人:梅军 教授 博导 华南理工大学物理与光电学院

近日,北京大学物理学院量子材料科学中心王健研究员与中心谢心澄教授、香港大学谢茂海教授、浙江大学王勇教授等人合作,首次对拓扑绝缘体/普通绝缘体(Bi2Se3/In2Se3)超晶格的量子输运特性展开系统研究。在低温强磁场下对不同拓扑绝缘体层厚的Bi2Se3/In2Se3超晶格的电输运测量发现:改变其中拓扑绝缘体层Bi2Se3的厚度会导致体系的量子输运维度从三维转变为二维。该结果证实了人工调控拓扑材料物性的可行性,是拓扑绝缘体超晶格量子输运特性的首次报道。这一工作为新量子态的探索,也为研发人工调制的拓扑材料及其在磁电、热电和自旋电子学等方面的潜在应用奠定了基础。相关工作以“Crossover
from 3D to 2D Quantum Transport in Bi2Se3/In2Se3
Superlattices”为题,在线发表于《纳米快报》(Nano Letters DOI:
10.1021/nl502220p(2014))上,北京大学王健研究员、谢心澄教授和香港大学谢茂海教授为该论文共同通讯作者,北京大学博士生赵弇斐和博士后刘海文为论文共同第一作者。

www.mgm4858.com,近年来,关于微纳系统中热传导和输运的研究逐渐成为功能器件小型化、集成化及热电转换等领域的重要研究课题。相关研究不仅在技术上有重要的应用,同时也可以深刻揭示微纳系统中热力学规律。南京大学王牧教授和彭茹雯教授研究组自2003年起对微纳系统中声子输运及热导性质开展研究,其中曹鲁帅博士和祁冬祥博士在研究生期间做了大量具体工作,取得一些创新性成果。例如,他们首次将量子化热导从单通道推广到多通道,进而引入声子非线性效应,提出了外场可控的多通道量子化热导的概念,并在聚合物系统中证实了电场控制量子化热导通道的可行性。这一系列工作先后发表在
Physical Review B 和 Applied Physics Letters 等杂志上(详见PRB vol. 72,
p214301; APL vol. 93, p011908; PRB vol. 85, p214123等)。

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最近,该研究组与德国汉堡大学Schmelcher教授研究组合作,
将研究推广到单频激励的非线性声子系统,发现了一种新型声子频率梳。他们利用解析分析和数值模拟等手段揭示了这种声子频率梳的产生机制,并给出了其物理特性。研究表明,利用声子非线性共振可以产生新型的频率梳,这种声子频率梳不但可以产生比普通频率梳更密集的梳齿结构,还能引入更灵活的关联激发性质。这些特性使得该新型声子频率梳具有丰富的应用前景。此项工作于2014年2月正式发表于Physical
Review Letters vol. 112,
p075505。彭茹雯教授和曹鲁帅博士是该论文通讯作者,同时祁冬祥博士也在其研究生期间参与了此项工作。

图一、无序光栅结构的扫描电镜图像以及远场光学测量系统的示意图。

报告时间:2018年 9月27 日下午4:00-5:00。

 

新型声子频率梳的发现不仅在声子系统有广泛的潜在应用,例如提高声子系统的热注入和转化效率等,还可以推广到诸如非线性光学等其它系统。该系列研究工作受到国家自然科学基金委以及科技部的重点资助。

自然界大部分物质具有无序结构,波在无序系统中的传播问题是凝聚态物理学的重要课题。1958年安德森(P.
W. Anderson)
提出电子在无序系统中会出现局域化现象,并且会导致导体转变为绝缘体,这一现象后来被称为安德森局域化。由于安德森局域化来自无序系统中波的特征,因此这一现象可以推广到其它的各类波,比如电磁波、声波、物质波等。南京大学王牧教授和彭茹雯教授研究组自1998年以来对人工微结构系统中光子和声子的安德森局域化现象进行了持续深入的研究,实现了广义准周期系统中光子和声子的安德森局域化,发现了人工微结构系统中电子、光子和声子的局域与退局域转变,探讨了该效应的光电应用等等。这一系列工作先后发表在
Physical Review B 和 Applied Physics Letters 等杂志上 (PRB 57, 1544; PRB
67, 205209;PRB 72, 214301;APL 89, 153114;PRB 75, 165117;APL 93,
011908;PRB 91, 045111等)。

地点:行健楼 437 会议室

(Bi2Se3)6/(In2Se3)6
超晶格结构的透射电镜图,元素分辨图以及电输运测试示意图

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另一方面,表面等离激元作为一种局域在金属与介质界面上的电子集体振荡,受到了人们的广泛关注。实现表面等离激元的安德森局域化可以将电磁场局域在更小的空间,实现更好的场局域和场增强效果,可应用于实现纳米激光器、超高分辨成像等。然而由于光频等离激元在传播过程中损耗相当大,因而很难在实验上实现并观测到光频等离激元的安德森局域化现象。

邀请单位:物理科学与技术学院 量子输运与热能科学中心

拓扑绝缘体体内是有能隙的绝缘体,而表面是无能隙的自旋轨道耦合的金属态。作为一种新的量子材料,拓扑绝缘体已成为当前凝聚态物理最重要的研究领域之一。超晶格是指在纳米尺度可人工调制周期的晶体结构。最新的理论研究表明,拓扑绝缘体的特殊表面态是Weyl电子的二维体现,而拓扑绝缘体/普通绝缘体形成的超晶格可以构成理论预言的三维Weyl半金属,从而观测到真正的三维表面态。更为重要的是,拓扑绝缘体超晶格结构,有望实现对拓扑材料物性的人工调制。因此拓扑绝缘体超晶格的研究对于发现新的量子现象以及探索新的量子材料都具有重要科学意义。然而,拓扑绝缘体/普通绝缘体超晶格的电输运实验研究及可调控特性一直未见报道。

最近,王牧和彭茹雯研究组与黄先荣博士合作,在金属薄膜上进行无序光栅结构的工程化控制,设计和制备了两百多个无序结构样品,首次在实验上利用两类远场测量手段,对两百多个无序结构样品进行了精细测量和统计分析,实现并直接观测到了光频等离激元的安德森局域化现象。同时通过建立模型解析分析了表面等离激元在无序系统中的多重散射的行为,证实光频等离激元在无序系统中的安德森局域化来自散射波之间的相干相消。该工作一方面丰富了安德森局域化的物理体系;同时在光子芯片、纳米激光以及光与物质强相互作用等方面具有重要的应用前景,得到了《Nano
Letters》评审人的一致好评。例如,评审人认为这是“一个很重要并且有趣的结果”(“A
very important and interesting
result”);“这个工作不仅将吸引等离激元研究群体的关注,同时也会引起工作在光子芯片器件、纳米尺度下量子现象、或许太阳能电池等研究领域的人们的重视(“The
work will attract the attention not only from the plasmon community but
also the researchers working in the on-chip photonic devices, quantum
phenomena at nanoscale, and maybe solar cell.”)。

报告人简介:

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此项工作主要由南京大学史文博在其研究生期间完成,
他是该论文的第一作者,彭茹雯、黄先荣和王牧是该论文通讯作者,参与该工作的还有范仁浩和王前进等老师以及刘莲子、徐地虎、张昆和景灏等研究生。该项研究受到科技部“国家重点研发计划”以及国家自然科学基金委重点项目等资助。

梅军,华南理工大学物理与光电学院教授,博士生导师。2006年于武汉大学物理学院获博士学位,后赴香港科技大学物理系从事博士后研究至2011年。主持国家自然科学基金3项,在Nature
Communications,Physical Review Letters,Physical Review 系列,New
Journal of Physics,Applied Physics Letters
等主流学术期刊发表学术论文40余篇。主要研究方向为声学超材料和超表面,声波中的狄拉克点及拓扑相变,有效介质理论等。

(Bi2Se3)12/(In2Se3)6 和 (Bi2Se3)6/(In2Se3)6超晶格的量子输运特性

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报告摘要:

量子材料科学中心王健研究组与合作者近年来在拓扑绝缘体薄膜及其异质结构的电输运特性领域取得了一系列进展:

图二、随着光栅无序程度逐渐增大,最终实现光频等离激元的强局域。

为研究声子晶体中的狄拉克点,我们发展了一个类似于量子力学中k.p方法的经典微绕理论,从第一性原理上研究了狄拉克锥线性色散关系的存在条件和斜率大小。在此理论基础上,设计了一个具有双狄拉克锥色散关系的声子晶体系统,从而在较低频率上实现了声波的有效零折射率材料。在该系统中,当双狄拉克点的偶然简并被打破之后,布里渊区中心附近的能带反转会引起声波的拓扑相变,从而导致对缺陷不敏感的拓扑边界态。

1、
王健等人在拓扑绝缘体的研究中首次定量引入电子-电子相互作用的量子修正,已成为相关方向的奠基性论文(Physical
Review B 83, 245438(2011));

(物理学院 科学技术处)

2、 系统研究了三种超导体与拓扑绝缘体薄膜的相互作用(Physical Review B
85, 045415 (2012));

3、
发现拓扑绝缘体薄膜在平行磁场下的负磁阻行为及其与电流方向的相关性(Nano
Research 5, 739 (2012));

4、
在半导体砷化镓衬底上成功制备出p型和n型的拓扑绝缘体薄膜,为拓扑绝缘体的p-n型器件研发奠定了基础(AIP
Advances 3, 072112 (2013));

5、首次对拓扑绝缘体异质结构进行了电输运实验研究,证实了表面在量子输运中的关键性作用(Scientific
Reports 3, 3060 (2013));

6、在平行场下对拓扑绝缘体超薄膜进行了50特斯拉以上的强磁场电输运测量,观测到拓扑绝缘体体态引起的弱反局域化到弱局域化的转变(Scientific
Reports 4, 5817 (2014))等。

上述研究得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、中组部“青年千人”计划、高等学校博士学科点专项科研基金以及量子物质科学协同创新中心的支持。

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