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亮点文章 《物理学报》2021年第18期

已有 316 次阅读 2021-10-5 10:59 |系统分类:论文交流

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封面文章

反铁磁轴子绝缘体候选材料EuIn2As2的表面原子排布和电子结构

李渊, 邓翰宾, 王翠香, 李帅帅, 刘立民, 朱长江, 贾可, 孙英开, 杜鑫, 于鑫, 关童, 武睿, 张书源, 石友国, 毛寒青

物理学报. 2021, 70(18): 186801.

doi: 10.7498/aps.70.20210783.

非平庸的能带拓扑性与磁性结合可以产生丰富的量子现象,包括量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等。不同于磁性掺杂和异质结方案,内禀磁性拓扑绝缘体避免了掺杂带来的无序,且制备工艺通常比异质结更加简单,因此对研究和利用磁性拓扑绝缘体都有重要的意义。最近,EuIn2As2被认为是内禀反铁磁轴子绝缘体,本文使用低温扫描隧道显微镜研究了它的解理表面的原子排布和电子结构。结合原子分辨形貌图、晶格对称性分析以及局域态密度等信息,认为观测到的表面条纹结构来源于Eu截止面50%覆盖度的1 × 2表面重构. 通过条纹面的局域态密度测量,发现4 K时费米能附近态密度存在非对称的谷-峰特征,该特征随温度升高逐渐变弱,在反铁磁相变温度以上完全消失,表明其与反铁磁序密切相关。此外,在某些台阶附近,伴随有少量迷宫状的结构, 进一步分析认为可能是Eu原子形成的翘曲结构导致的。这些结果为理解EuIn2As2的表面能带结构和拓扑性质提供了重要信息。


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图1 条纹面的结构 (a) 条纹面的STM形貌 (Vs = 1 V, I = 200 pA), 沿图中红色虚线条纹转折一次错位半个周期, 深蓝色区域为表面缺陷; (b) 条纹面的原子分辨像 (Vs = –2 mV, I = 1 nA), 红色平行四边形表示重构后的原胞, 红色点阵代表面内晶格格点; (c) 图(a)的FFT, 黄色箭头所示为条纹的周期, 红色圆圈标注的六个红点代表图(b)所标注六角格子的布拉格点; (d)条纹面的原子排布示意图, 暗红色球代表观测到的Eu原子, 红色虚线圆圈代表亮条纹之间丢失的Eu原子, 黑色/黄色点代表Eu层以下的As/In原子; (e)跨条纹面上空位缺陷的STS谱, 插图中红线标出了测谱位置, 测谱条件为Vs = 400 mV, I = 200 pA, 调制电压幅度5 mV, 图中黄色虚线帮助示意STS曲线中的特征随空间的演变


同行评价

本文报道了反铁磁拓扑绝缘体EuIn2As2的表面形貌和电子态密度隧道谱特征。这是该类材料的第一个扫描隧道显微镜结果,比较具有价值。由于该类材料中表面性质对于拓扑表面态和磁性的耦合至关重要,本文的解离面为理解该类材料提供了重要信息,特别是暴露的解离面为磁性Eu原子的情况下。本文数据质量高,分析合理谨慎,得到的结论将为未来研究提供良好基础。

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编辑推荐

转角双层石墨烯在应变下的光电导率

蔡潇潇, 罗国语, 李志强, 贺言

物理学报. 2021, 70(18): 187301.

doi: 10.7498/aps.70.20210110.

理论研究了转角双层石墨烯在施加不同单轴应变下的能带结构和光电导率,用连续模型分别计算了转角为1.05°和1.47°的转角双层石墨烯在应变下的能带、态密度以及光电导率,发现这些量随应变的变化是连续且显著的。通过对能带的分析以及光电导率的测量能够获得应变对平带产生的实际影响,这为今后实验对应变与平带的研究打下基础;此外样品往往受到具有空间不均匀性的应变作用,测量其局域的光电导率便能够估计应变的空间分布大小;同时应变对能带的调制为原位调控转角双层石墨烯的强关联、拓扑以及量子效应提供了思路。


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图1  (a) TBG莫尔布里渊区示意图: 两个大正六边形代表上下两层单层石墨烯的第一布里渊区, 小正六边形为转角形成的莫尔布里渊区; (b) 偏移后的狄拉克点附近能带: 红色和蓝色曲线分别代表图(a)中莫尔布里渊区同色虚线路径的能带, 虚线路径中的黑点代表狄拉克点的位置


同行评价

本文理论研究了转角双层石墨烯在施加不同单轴应变下的能带结构和光电导率。利用连续模型分别计算了转角为1.05°和1.47°的转角双层石墨烯在应变下的能带、光电导率,发现这些物理量随应变具有显著且连续的变化。这为今后实验上研究应变对平带的影响提供了理论依据。

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辑推荐

声子晶体板中的第二类狄拉克点和边缘传输

骆全斌, 黄学勤, 邓伟胤, 吴迎, 陆久阳, 刘正猷

物理学报. 2021, 70(18): 184302.

doi: 10.7498/aps.70.20210712.

在弹性板波体系中设计了一种具有第二类狄拉克点的声子晶体板。不同于第一类狄拉克点,第二类狄拉克点附近的色散具有大的倾斜,以致于等频面的几何形状由点状变成交叉的线状。微调结构的几何参数破缺该镜面对称性,可打开第二类狄拉克点简并,实现体系的能带反转。能带反转前后的二维声子晶体板属于不同的能谷拓扑相,不同拓扑相之间存在无带隙的拓扑保护界面态。不仅如此,由于弹性板波界面态的特殊应力分布,单一能谷相声子晶体板的边界上同样支持无带隙的弹性波传输。本文拓展类石墨烯体系中的二维狄拉克点和能谷态到第二类情形中,在同一结构中获得了界面和边界上的弹性波无带隙边缘传输。由于结构设计简单,可在微小尺寸下加工获得,为高频弹性波器件的设计和构造提供了可行的途径。


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图1  具有第二类狄拉克点的声子晶体板 (a)正方晶格声子晶体板和单胞结构示意图; (b)声子晶体沿布里渊区高对称线的能带结构, 插图为第一布里渊区; (c)第二类狄拉克点附近的能带结构, 绿色平面为简并点所在的等频面


同行评价

论文通过理论和模拟仿真提出了一种具有第二类狄拉克点的声子晶体板,通过微调结构参数使得第二类狄拉克锥点发生从打开到简并到再打开的相变过程,并用谷陈数做以拓扑表征,仿真得到了不同拓扑相声子晶体板之间的拓扑边界传输现象。文章逻辑清晰,科学上合理。

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编辑推荐

基于超表面的多波束多模态太赫兹涡旋波产生

李国强, 施宏宇, 刘康, 李博林, 衣建甲, 张安学, 徐卓

物理学报. 2021, 70(18): 188701.

doi: 10.7498/aps.70.20210897.

太赫兹涡旋波束可以被用于高速通信及高分辨率成像,其产生方式近年来受到了越来越多的关注。本文提出了一种反射型超表面,它可以在太赫兹频段产生四种不同模态的涡旋波束。超表面单元结构基于几何相位原理,由三层结构组成,上下两层为金属结构,中间层为介质,其上层金属结构由圆环及椭圆贴片构成。利用几何相位对圆极化波的调控作用,可以实现由线极化波到圆极化波的分解,并实现对不同圆极化波的灵活调控。为了同时调控反射波的偏转方向,本文利用平面反射阵列原理来计算每个超表面单元所需的相位补偿。通过相位叠加原理,在不同传播方向的波束中叠加不同模态的轨道角动量,较好地实现了太赫兹频段复杂波束的调控效果。仿真及测试结果表明设计的超表面能够在太赫兹频段产生带有 ± 1和 ± 2模态的4个波束,在无线通信及高分辨率成像等方面有潜在应用价值。


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图1  涡旋波束远场幅度(左图)和相位(右图)的仿真结果 (a), (b) l = –1; (c), (d) l = –2; (e), (f) l = 1; (g), (h) l = 2


同行评价

文章利用超表面的设计思想,在太赫兹波段实现了携带多种拓扑电荷数的反射涡旋波束。该工作在共口径实现多模态涡旋波束方面有一定的创新性。

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编辑推荐

基于介电常数近零模式与间隙表面等离激元强耦合的增强非线性光学效应

郭绮琪, 陈溢杭

物理学报. 2021, 70(18): 187303.

doi: 10.7498/aps.70.20210290.

非线性光学效应在光通信、光探测、量子信息等领域发挥着举足轻重的作用,然而天然材料的光学非线性响应通常很弱。本文利用氧化铟锡(ITO)薄膜激发的介电常数近零模式,与金属-介质-金属结构激发的间隙表面等离激元发生强耦合,在近红外波段实现宽带(约1000 nm)的增强非线性光学效应,其非线性折射率n2的最大值可达3.02 cm2/GW,与之前报道的单层ITO薄膜的非线性折射率相比,增大了接近3个数量级。因此,可在低功率光照下得到显著的折射率变化,可望应用于全光存储、全光开关等纳米光子器件的设计。


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图1  (a)通过双温模型计算得到的电子温度Te(t)和晶格温度Tl(t); (b)非线性折射率n2, 黑线为文中结构的非线性折射率, 红点为文献(Alam M Z, Leon I D, Boyd R W 2016 Science 352 795)报道的单层ITO薄膜的n2值乘以200倍, 蓝色点线为文献(Alam M Z, Leon I D, Boyd R W 2016 Science 352 795)单层ITO薄膜结构通过双温模型理论计算得到的n2值乘以200倍


同行评价

本工作将ITO薄膜置于金属-介质-金属结构的间隙,通过激发表面等离激元谐振模式实现ITO膜附近的光场以增强其与ITO的作用,最终体现为ITO折射率非线性变化的增强。相较之前报道的单层ITO薄膜的非线性折射率显著增大。这将会在制作全息存储、全光开关等光子学器件中显示出优异的性能。

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编辑推荐

谐振子势阱中双费米原子光钟的碰撞频移

陈泽锐, 刘光存, 俞振华

物理学报. 2021, 70(18): 180602.

doi: 10.7498/aps.70.20210243.

原子钟提供了时间的标准,但原子间的相互作用往往限制原子钟的精度。本文理论研究了谐振子势阱中双费米原子光钟由于原子间的短程相互作用而在拉比频谱中引起的碰撞频移。考虑到原子光钟中短程相互作用一般较弱,并且晶格光的参数在Lamb-Dicke区间中,本文近似费米原子的外态不发生改变,进而推导出原子内态在拉比探测光驱动下满足的运动方程。微扰求解运动方程,得到一阶解的解析表达式,从而得到了拉比频谱的碰撞频移依赖于拉比探测光参数与在原子特定外态中相互作用的表达式。最后,利用谐振子势阱中格林函数的解析表达式,得到了有限温下碰撞频移与原子间相互作用的关系。研究结果表明,实验中可以通过精密测量原子光钟的频移获得原子间相互作用的信息。


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图1 系数C随温度的变化 (a) C1; (b) C2


本文作者从理论上系统研究了谐振子双势阱中双费米子原子光钟体系中由于原子间的短程相互作用在拉比频谱中会引起碰撞频移。利用合理的近似求解方法,推导出拉比频谱的碰撞频移与外激光场参数的相互作用表达式,从而指出了可以利用实验中精密测量原子光钟的频移信息来验证源自于光相互作用的物理信息。当前影响原子光钟不确定度关键指标的其中一项重要物理因素是原子与激光相互作用引起的碰撞频移效应。此文章的理论研究成果有助于理解原子光钟碰撞频移引起的不确定度物理本质。

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编辑推荐

Si微/纳米带的制备与热电性能

魏江涛, 杨亮亮, 魏磊, 秦源浩, 宋培帅, 张明亮, 杨富华, 王晓东

物理学报. 2021, 70(18): 187304.

doi: 10.7498/aps.70.20210801.

目前,低维材料是热电领域研究的热点,因为块体材料低维化后热电性能会得到显著的改善。块体材料低维化有很多方法,本文基于半导体微加工和聚焦离子束技术制备了尺寸可控的Si微/纳米带,并通过微悬空结构详细研究了不同尺寸Si微/纳米带的热电性能。实验发现:随着Si微/纳米带宽度的减小,材料的热导率发生了显著的降低,从体硅的148 W/(m·K)降低到17.75 W/(m·K)(800 nm);材料的Seebeck系数低于相应的体Si值。热导率的降低主要来源于声子边界散射的增加,这显著抑制了Si材料中声子的传输行为,从而影响热能的传输和转换。在373 K时,800 nm宽的Si微/纳米带的ZT值约达到了0.056,与体硅相比增大了约6倍。聚焦离子束加工技术为将来Si材料提高热电性能提供了新的制备方案,这种技术也可以应用于其他材料低维化的制备。


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图1  (a) 纳米探针与Si微/纳米带接触过程; (b) 通过Pt金属焊接, 将Si微/纳米带从原本的位置转移走; (c) 纳米探针把Si微/纳米带转移到悬空结构上的过程; (d) 通过Pt金属焊接, 将Si微/纳米带固定在悬空岛两端; (e) 样品1, Si微/纳米带的宽度为2000 nm; (f) 样品2, Si微/纳米带的宽度为800 nm


同行评价

该文通过半导体微加工制备了尺寸可控的 Si 微纳米带,并系统研究了制备样品的热电性能。实验结果表明Si 微纳米带的热导率比块体Si降低了接近一个量级,其原因为声子边界散射大幅增强所致。此外,体系的功率因子相比块体硅有小幅降低,样品的ZT的测量值达0.056,6倍于块体硅。该工作为高性能热电材料的制备提供了新思路。

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《物理学报》2021年第18期全文链接:

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2021/18



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