新型拓扑体系中拓扑态调控和量子输运的研究

Recently, the study of topological quantum systems has become one of the most important frontier topics in condensed mater physics research. In this proposed work, we plan to investigate novel methods for topological phase control and to study the quantum transport properties of the novel topological systems. First, for the 2D low-buckled lattice system, we will study the effects of competing spin-orbital interactions on inducing new topological phases, investigate new methods to control the topological phases by the external fields and layer degrees of freedom, and explore the mechanism and application of the novel valley-polarized topological states which we discovered before. Second, for 3D Dirac and Weyl semimetal systems, we will investigate efficient methods to control their topological phases and physical properties by external fields and quantum confinement effects. Particularly, the effects of symmetry breaking on the topological states and the mechanism of topological phase transitions will be studied in detail. Accordingly, we will also extend this study to 3D Dirac and Weyl superconductors, and explore methods to engineer the Majorana surface modes. Finally, we will study the transport properties of the above topological systems, focusing on the effects of the external fields and disorder scattering, valley polarization and valley filtering, and the Andreev reflection. We hope to reveal the physical nature of the novel transport properties induced by topological states. The project will help us to explore new topological phases, to understand their fundamental physical properties, to obtain the effective methods for their detection and control, and further to provide physical basis for designing new topological quantum devices and for realizing the quantum information processing in the future.

当前，关于拓扑量子体系的研究已成为凝聚态物理学科重要的前沿研究领域。我们拟开展新型拓扑体系中拓扑态调控和量子输运的研究。首先，针对二维低褶皱拓扑体系，研究自旋轨道耦合竞争效应对拓扑态的影响，以及外场和层自由度对拓扑态的调控，探索谷极化拓扑态等新奇拓扑态形成的微观机制。其次，针对三维Dirac和Weyl半金属，研究外场和量子约束效应对拓扑态的调控，以及对称性破缺对拓扑态的影响，揭示费米弧演化规律和拓扑相变机理；进一步研究Dirac和Weyl超导体中的拓扑态，给出Majorana表面态的形成机制和有效调控方法。最后，研究上述拓扑体系中拓扑态在输运特性上的表征，探讨外场和无序散射对手性隧穿、Andreev反射、谷极化和谷过滤等输运性质的影响，阐明拓扑态导致新奇输运特性的物理本质。通过上述研究，加深对拓扑态的理解，获得对拓扑态的有效调控和探测手段，为设计基于拓扑态的量子器件和信息处理提供物理基础。

拓扑绝缘体和拓扑半金属中的拓扑态是非常重要和前沿的物理研究领域。本项目针对新型拓扑体系，从理论上深入系统研究了其中的拓扑态、拓扑相变，以及相应的调控、探测机制。先后从理论上研究了类石墨烯体系、拓扑绝缘体、拓扑狄拉克和外尔半金属体系中拓扑态的调控及其拓扑相变，并进一步研究了应变场、翘曲效应对拓扑态输运特性的影响。主要研究内容为：.(1).研究了不同拓扑绝缘体构成的拓扑畴壁，发现其中存在自旋极化和谷极化的边缘态。边缘态的自旋指标和谷指标可以被外电场调控，这使得设计自旋过滤和自旋谷过滤器件成为可能。(2).研究了平面内磁化的二维原子晶格结构中的量子反常霍尔效应，发现在平面内磁场作用下，量子反常霍尔效应可以在低褶皱的蜂窝状晶格中实现。(3).研究了一维应变场下的石墨烯，导出了一个有效的相对论狄拉克哈密顿量，并获得了依赖于频率的光电导率。(4).研究了交换场对狄拉克半金属拓扑相的调制作用，发现系统可以从拓扑平庸态转变为具有非零拓扑数的量子反常霍尔效应态。(5).研究了具有Rashba自旋轨道耦合作用的石墨烯中电子性质和自旋可分辨的散射，发现费米表面的翘曲结构对引起透射电流的自旋极化是必要的。(6).研究了拓扑绝缘体费米面六角形翘曲结构的各向异性对拓扑绝缘体表面态输运性质的影响，发现散射率和电导对角度具有很强的依赖性。(7).研究了节线半金属的磁光响应，发现了交错的朗道能级以及磁光电导的双峰结构。(8).研究了外尔半金属各向异性的量子束缚效应和由量子尺寸效应引起的拓扑相变，发现能隙具有周期性的振荡，并且从平庸绝缘体转变到量子反常霍尔效应。.本项目针对新型拓扑体系，从理论上研究了其中的拓扑量子态的调控及其拓扑相变，以及相应的外场调控机制。并进一步从理论上研究了其中的拓扑量子态对系统输运特性的影响，以及相应的对拓扑态进行探测的机制。这些理论研究有望预言新效应，为实验的进一步发展提供新的思路和依据，并将为基于拓扑态的量子器件设计和固态量子信息处理提供物理模型与理论依据。