拓扑畴壁及其复合系统中的电子态和电子输运性质

Two-dimensional material and topological theory of band structure are two frontier fields in nowadays condensed matter physics. Two-dimensional materials have a variety of topological phases. When external controllable parameters of a two-dimensional material vary in real space, topological domain walls can be formed between the areas with different topological phases. Because topological domain walls can accommodate current without dissipation and their orientation can be controlled by the external parameters, the topological domain wall has great potential for future’s circuit application. However, the topological domain wall cannot be interrupted between source and drain, thus cutting off the current on it is extremely a challenge. The project plan to study the manipulation of topological phases of two dimensional materials, explore the coupling mechanism between the momentum, spin and valley of electrons on the domain wall, investigate the transport of the domain wall states, and find out the method for cutting off the domain wall current. The project also researches the transport properties of multi domain walls and domain wall composite systems. The goal of our project is to construct the basic physics of domain wall circuit and design prototype devices consisting of domain walls.

二维材料和材料的拓扑特性是近年凝聚态物理的两个重要前沿。二维材料在不同的参数下可以表现不同的拓扑性质。在同一材料上施加随空间改变的参数影响，能使不同区域呈现不同的拓扑属性，具有不同拓扑性质的区域之间就形成拓扑畴壁。拓扑畴壁上的电子态能承载受到拓扑保护的无耗散流，而且畴壁的走向和分布可以通过外部参数来控制，这两个特点使拓扑畴壁有可能成为将来电路的组成部分。然而，拓扑畴壁在实空间中无法中断，如何利用畴壁态的物理特性，实现畴壁流的关断就成为了畴壁电路的关键问题。本项目研究二维材料拓扑属性的参数调控以构造各种类型拓扑畴壁，探索电子多种自由度在拓扑畴壁上的耦合和演化，实现对畴壁态电子输运的控制，发现拓扑畴壁上电流的关断机制并寻求最优的关断参数条件。本项目还计划研究多畴壁和拓扑畴壁复合系统的输运性质，探索拓扑畴壁复合系统的基本物理规律，为畴壁电路的应用化提供理论依据，为畴壁电子器件提供理论原型。

本项目研究拓扑畴壁上的电子态和电子输运性质，探索拓扑畴壁的参数调控，研究拓扑畴壁电子态的自由度调控和电流调控，探索拓扑畴壁复合系统中的电子输运性质。本项目的研究目标可以分为：1. 材料拓扑性质的参数调控，找出控制材料拓扑属性的参数区间，基于对拓扑畴壁的模型，研究拓扑畴壁上的电子态和它所承载的相干电子输运，以及电子多种自由度在拓扑畴壁上的耦合和调控；2. 研究拓扑畴壁上的电流电压响应，研究这种响应的参数控制，希望提出新的参数模型，以便理解拓扑畴壁电流的关断机制；3. 利用不同类型个拓扑畴壁和其他微结构来构造拓扑畴壁复合系统，研究畴壁复合系统的电子输运性质，丰富和深化对拓扑畴壁性质的理解。..项目的研究目标已经圆满完成：1. 我们研究了单层和双层黑磷在应变下的能带控制和拓扑相变，得到了拓扑性质存在的参数区间。我们研究了RKKY作用在黑磷，在外尔材料，在节点环材料中的特征，以及对材料参数的敏感性，作为控制自旋自由度耦合和调控的手段。我们研究了黑磷，外尔材料的电导，单层过渡金属硫化物的光电流等电子输运现象。2. 我们研究了在系统哈密顿量突然改变下的电流响应，发现了影响电流响应的关键因素。我们研究了外尔失配结上的电流，发现了该电流的新的电流空窗。这两个效应都可以作为控制电流关断的基本物理机制。我们提出了黑磷的三参数模型，并用该模型研究了黑磷能带的应变响应和拓扑相变。3. 我们研究了拓扑失配结上的反射和透射，发现它们的平移效应，电导空窗，非共面透射，倾斜衍射，反射延迟，速度修正，极大的丰富了我们对拓扑畴壁系统上的输运性质的理解。..在本项目的支持下，总共发表了14篇学术论文，培养了4名硕士研究生，招收了5名在读硕士研究生和一名在读博士生。