当前位置: www.89677.com > 信息科学 > 正文

信息学院彭超副教授与合作者在,现代通信研究

时间:2019-08-31 07:20来源:信息科学
北京大学信息科学技术学院现代通信研究所、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授,与麻省理工学院物理学系MarinSoljacic教授课题组,宾夕法尼亚大学物理学与天

北京大学信息科学技术学院现代通信研究所、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授,与麻省理工学院物理学系Marin Soljacic教授课题组,宾夕法尼亚大学物理学与天文学系Bo Zhen助理教授合作,对非厄米系统的拓扑性质展开直接实验研究,成功观测到非闭合的费米弧和偏振态半核现象。

拓扑性质是几何或空间在连续改变形状后仍然保持不变的一些性质。将拓扑效应引入凝聚态物理系统,被证明是理解微观奇异世界的关键之一。2016年,凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变被诺贝尔物理学奖青睐。然而,当前拓扑物理学领域鲜见对开放系统(物理上也称为非厄米系统)拓扑性质的实验观测,这是由于开放系统是能量不守恒的体系,能量的增长或泄露都将增大体系复杂性和测量难度。

清华物理系研究人员首次在实验上实现第二类外尔费米子


信息学院彭超副教授与合作者在,现代通信研究所彭超副教授与合作者在。清华新闻网9月8日电 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”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。

近年来,伴随着凝聚态能带拓扑理论的发展,大量的新奇粒子在新型量子材料中得以实现,其中典型的例子是“外尔费米子”。外尔费米子的概念最早在高能物理中提出。近年来研究人员发现在被称为“外尔半金属”的拓扑材料中,其低能准粒子激发与外尔费米子满足相同的物理规律。有趣的是,高能物理中必须满足的洛伦兹不变性,在凝聚态物理中却不需要遵守。因此,在固体材料中有可能存在不满足洛伦兹不变性的外尔费米子。为了与保持洛伦兹不变性的第一类外尔费米子区别,这类新型的外尔费米子被称为“第二类外尔费米子”,相应的拓扑材料称为“第二类外尔半金属”。第二类外尔半金属具有众多新奇的量子现象,例如,沿某一方向严重倾斜的狄拉克锥,受拓扑保护的非闭合费米弧表面态,以及理论预言的各向异性磁输运性质等。因此自从被理论预言后,第二类外尔费米子就引起了研究人员的广泛关注。

www.89677.com 1

图1: 第一类和第二类外尔半金属电子结构示意图。

最有望实现第二类外尔费米子的材料体系是Td相的二碲化钼。高质量的单晶样品是实验成功的基础,实验测量所需的大面积、高质量的单晶样品的制备在清华-富士康纳米中心完成。研究者结合角分辨光电子能谱(ARPES)和扫描隧道谱(STS)两种互补的表面敏感实验技术,结合第一性原理计算结果,验证了二碲化钼作为第二类外尔半金属的基本特征 - 严重倾斜的狄拉克锥和来自于拓扑表面态的非闭合费米弧。由于二碲化钼中的外尔点存在于材料的费米能以上,且外尔点附近存在大量体能带造成的态密度包裹,精细的费米弧表面态分布在空穴和电子能带之间的微小能隙里,使得传统观测第一类外尔点和费米弧的手段不再奏效。周树云研究组结合自主搭建的四倍频的6.3 eV激光光源和同步辐射的低能高通量光源的角分辨光电子能谱,区分出了体能带和表面态的贡献,并锁定了拓扑表面态的位置和色散,成功观测到平庸表面态和空穴体能带间微小能隙中的非闭合费米弧。进一步结合陈曦研究组的扫描隧道谱测量以及张海军的第一性原理计算,确认了该非闭合弧线正是拓扑费米弧。该工作首次直接从实验上完整地证实了Td相的二碲化钼是第二类外尔半金属,不仅为凝聚态中实现标准模型奇异粒子建立了新的范本,也为层状材料实现拓扑电子学器件开辟了新的体系。

www.89677.com 2

www.89677.com,图2: 结合角分辨光电子能谱、扫描隧道显微谱实验测量结果和第一性原理计算得到的拓扑表面态。

清华大学物理系的博士生邓可、万国良和邓鹏同学为论文共同第一作者,清华大学物理系的周树云副教授、陈曦教授和清华-富士康纳米科技中心的吴扬博士为该文的共同通讯作者,南京大学的张海军教授提供了理论计算,清华大学高等研究院的姚宏研究员和物理系段文晖研究组也为该项研究提供了理论支持。该课题是在国家自然科学基金委、国家科技部、清华大学自主研发项目和清华-富士康纳米科技研究中心经费支持下完成。

论文链接:.

供稿:物理系 编辑:李华山

费米弧是能量等高线上具有开放端点的不闭合弧——这一现象打破了能量等高线必为闭合曲线的直观认知,一般被认为存在于三维体系的二维表面上。与之不同的是,彭超等人实验观测的费米弧来自三维体系自身,而非其二维表面,因此被叫做体费米弧。体费米弧连接了系统中的两个辐射奇异点,体现出非厄米系统的拓扑性质。同时,他们还观测到系统内拓扑性质的另一种表现——光子偏振态半核;也就是说,光子偏振在波矢空间以一定的闭合路径扭转半圈,类似于形成偏振态上的莫比乌斯环。宾州州立大学物理学系Mikael Rechtsman助理教授对这项工作给出有趣的评价:“系统损耗往往被认为是一种阻碍,而这里却成为获取系统拓扑性质的有效途径。”

 

2018年1月11日,上述工作的相关成果以《成对辐射奇异点体系中体费米弧和偏振态半核的观测》为题,在线发表于《科学》;彭超为共同第一作者。在国家自然科学基金、国家留学基金青年骨干教师出国研修项目资助下,彭超与其合作者的研究融合了拓扑物理学、非厄米系统物理学和奇点光学,为拓扑光子学领域开拓了新方向。

www.89677.com 3

用光子学方法研究物理体系的拓扑性质,是理解拓扑物理学基本原理的一种有效手段。作为一种由成千上万周期性分布的介质微结构所组成的人造晶体,光子晶体完美体现了凝聚态量子系统的物理规律。处于光锥之上的光子可从光子晶体中逃逸,因此该体系实际上就是一个非厄米系统。通过测量逃逸光子的状态,即可直接实验观测体系的拓扑性质。

在成对奇异点(exceptional points)(红色)附近所观测到的奇特拓扑景象(粉色线为费米弧,上部和下部的莫比乌斯带为偏振态半核)

拓扑性质是几何或空间在连续改变形状后仍然保持不变的一些性质。将拓扑效应引入凝聚态物理系统,被证明是理解微观奇异世界的关键之一。2016年,凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变被授予诺贝尔物理学奖。然而,当前拓扑物理学领域鲜见对开放系统拓扑性质的实验观测,这是由于开放系统是能量不守恒的体系,能量的增长或泄露都将增大体系复杂性和测量难度。

北京大学信息科学技术学院、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授与麻省理工学院物理学系Marin Soljacic教授课题组、宾夕法尼亚大学物理学与天文学系Bo Zhen助理教授合作,对非厄米系统的拓扑性质展开直接实验研究,成功观测到非闭合的费米弧(Fermi arcs)和偏振态半核(polarization half-charge)现象。

图在成对奇异点附近所观测到的奇特拓扑景象

用光子学方法研究物理体系的拓扑性质,是理解拓扑物理学基本原理的一种有效手段。作为一种由成千上万周期性分布的介质微结构所组成的人造晶体,光子晶体完美体现了凝聚态量子系统的物理规律。处于光锥之上的光子可从光子晶体中逃逸,因此该体系实际上就是一个非厄米系统。通过测量逃逸光子的状态(例如频率和偏振),该体系即可直接实验观测体系的拓扑性质。

2018年1月11日,上述工作的相关成果以《成对辐射奇异点体系中体费米弧和偏振态半核的观测》(Observation of bulk Fermi arc and polarization half charge from paired exceptional points)为题,在线发表于《科学》(Science,DOI: 10.1126/science.aap9859);彭超为共同第一作者。在国家自然科学基金、国家留学基金青年骨干教师出国研修项目资助下,彭超与其合作者的研究融合了拓扑物理学(topological physics)、非厄米系统物理学(non-Hermitian physics)和奇点光学(singular optics),为拓扑光子学领域开拓了新方向。

费米弧是能量等高线上具有开放端点的不闭合弧——这一现象打破了能量等高线必为闭合曲线的直观认知,一般被认为存在于三维体系的二维表面上。与之不同的是,彭超等人实验观测的费米弧来自三维体系自身,而非其二维表面,因此被叫做体费米弧。体费米弧连接了系统中的两个辐射奇异点(exceptional points),体现出非厄米系统的拓扑性质。同时,他们还观测到系统内拓扑性质的另一种表现——光子偏振态半核;也就是说,光子偏振在波矢空间以一定的闭合路径扭转半圈,类似于形成偏振态上的莫比乌斯环。宾州州立大学物理学系Mikael Rechtsman助理教授对这项工作给出有趣的评价:“系统损耗往往被认为是一种阻碍,而这里却成为获取系统拓扑性质的有效途径(Perhaps the most ingenious aspect of this work is that the authors use the fact that their system must necessarily lose photons, which is usually an obstacle and annoyance, to access new topological physics)。”

编辑:信息科学 本文来源:信息学院彭超副教授与合作者在,现代通信研究

关键词: www.89677.co www.89677.co