二维范德华异质结中的手性声子及其调控

Because of the zero angular momentum of phonon in the traditional sense, few work study the chirality of phonon. However, very recent experimental and theoretical work show that phonon can also have the chirality, which will affect many areas of condensed matter physics. In this project, around the key information symmetry breaking, we start from the classical two-dimensional van der Waals heterostructure graphene/hexagonal boron nitride. Using first-principles calculations in combination with analytical derivation, we systematically study the phonon circular polarization, the electron-phonon interaction and the berry curvature in the heterostructures which are related to the typical single-layer transition-metal dichalcogenide, the antimonene, etc. We also discuss the regulations of strain on the phonon chirality and the valley phonon Hall effect in real materials. We strive to form deep understanding of the relation between phonon chirality and the materials, and clarify the valley phonon involved selection rules for electronic scattering on the basis of traditional electron-phonon interaction while considering the phonon chirality. These work are not only related to the basic issues of condensed matter physics such as valleytronics, two-dimensional van der Waals heterostructure, phonon, electron, but also provide valuable theoretical guidance for the valley-based electronics and phononics applications.

由于传统意义上声子角动量为零，关于声子手性的研究很少。但是，最近的实验和理论工作发现声子也可具有手性，这将影响凝聚态物理的好多方面。本项目中，围绕对称性破缺这一关键信息，我们以经典二维范德华异质结石墨烯/六角氮化硼为切入点，利用第一性原理计算结合解析推导，系统研究与典型单层过渡金属硫族化物、锑烯等相关的异质结中的声子圆极化、电声相互作用、贝里曲率，并讨论应力对声子手性的调控和实际材料中的谷声子霍尔效应。我们力争对声子手性与材料的依赖关系形成深刻的认识，并在传统电声相互作用基础上，考虑声子手性，阐明谷声子参与的电子跃迁选择定则。这些工作不仅涉及能谷电子学、二维范德华异质结、声子、电子等凝聚态物理基本问题，而且为谷电子学、谷声子学应用提供有价值的理论指导。

由于传统意义上声子角动量为零，关于声子手性的研究很少，但最近的理论和实验工作证实了二维材料中声子手性的存在，这将会影响凝聚态物理的许多方面。 为了能对手性声子能有更系统和深入地认识，本项目中我们围绕二维范德华异质结，首先对石墨烯/六角氮化硼、双层堆积六角格子、MX2/MX2 (M=Mo/W, X=S,Se)中的手性声子进行了探索。 然后，我们研究了高对称K点手性声子的圆极化强度、方向等，并讨论了与单层的区别及应力对声子手性的影响。 最后，我们引入声子赝角动量（PAM）这一关键物理量建立了守恒律，研究了圆极化光入射下，手性声子参与的间接光跃迁过程，进而提出了直接探测手性声子的方法。 研究发现: 1、除了六角格子，双层中心堆积的三角格子也存在手性声子；2、所研究的几个非磁体系中，空间反演对称破缺是高对称K点手性声子存在的关键；3、异质结与单层、不同的异质结、不同的单层中，K点手性声子的特点不一样，主要体现在声子模的杂化及不同的振动强度；4、应力无法直接严格控制声子的手性，电场是可能的一种方法；5、不同模的手性声子具有确定的PAM，能通过放出声子的形式，参与光的间接跃迁；6、手性声子在K点处具有非零的贝里曲率。 本项目揭示了对称破缺对二维范德华异质结中手性声子存在与否的关键作用，对二维材料中手性声子的特点有了更深入和系统地认识。 通过引入声子PAM，我们对手性谷声子参与的光间接跃迁过程建立了守恒律，促进了业内对该过程的微观理解，并提出直接探测手性声子的方法，为后续探测和调控手性声子的实验提供了有价值的参考。 项目的研究成果，对于谷电子学、谷声子学等领域也具有较好的应用前景。