《中国科学院声学所等实现新型声学拓扑绝缘体》

  • 来源专题:水声领域信息监测
  • 编译者: ioalib
  • 发布时间:2016-12-12
  • 近日,中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室副研究员贾晗与华中科技大学物理学院副教授祝雪丰等合作的研究工作《反常弗洛奎型声学拓扑绝缘体的实验论证》在《自然-通讯》上在线发表。

    拓扑绝缘体是一类不同于金属和绝缘体的全新物态,其内部为绝缘体但表面却能导电,且该表面导电性源自材料的内禀性质,不受杂质和缺陷的影响。拓扑绝缘体因在自旋电子学、热电以及量子信息领域具有广大的应用前景而引起人们极大关注。近几年来,玻色子(光子和声子)的拓扑态也引起了人们的极大关注。

    研究人员利用二维超材料环阵列,首次实现了时间反演对称型声学拓扑绝缘体。该工作类比电子自旋,将声在超材料环中的传播方向定义为一种赝自旋。在此基础上,理论和实验同时证实了环间强耦合条件下赝自旋边界态单向拓扑传输效应。另外,在环阵列中引入适当位错,可产生一种赝自旋拓扑界面态。该工作对于探索声波单向拓扑传输、声隔离和手性声学超材料等方面具有重要意义。

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    • 11月11日,中国科学院噪声与振动重点实验室贾晗副研究员与华中科技大学物理学院祝雪丰副教授合作的研究工作《反常弗洛奎型声学拓扑绝缘体的实验论证》(Experimental demonstration of anomalous Floquet topological insulator for sound)在《自然?通讯》(Nature Communications)上在线发表。 拓扑绝缘体是一类不同于金属和绝缘体的全新物态,其内部为绝缘体但表面却能导电,且该表面导电性源自材料的内禀性质,不受杂质和缺陷的影响。拓扑绝缘体因在自旋电子学、热电以及量子信息领域具有广大的应用前景而引起人们极大关注。近几年来,玻色子(光子和声子)的拓扑态也引起了人们的极大关注。贾晗副研究员与祝雪丰副教授利用二维超材料环阵列,首次实现了时间反演对称型声学拓扑绝缘体。该工作类比电子自旋,将声在超材料环中的传播方向定义为一种赝自旋。在此基础上,理论和实验同时证实了环间强耦合条件下赝自旋边界态单向拓扑传输效应。另外,在环阵列中引入适当位错,可产生一种赝自旋拓扑界面态。该工作对于探索声波单向拓扑传输,声隔离和手性声学超材料等方面具有重要意义。 贾晗副研究员与祝雪丰副教授为该工作共同通讯作者。声学所研究生许相园以及鲍明研究员参与该研究。该研究得到国家自然科学基金、院先导专项等项目的资助。 相关文章链接:http://www.nature.com/articles/ncomms13368   图 1. 声学拓扑绝缘体超材料结构示意图      图 2 声学拓扑绝缘体中的边缘态单向拓扑传输声场图(a,b为模拟结果;c,d为实验结果)
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    • 编译者:姜山
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    • 上世纪60年代,诺贝尔奖获得者Mott提出激子绝缘相,Mott提出考虑库仑屏蔽效应,在半金属体系中电子-空穴配对而形成激子,可能会导致体系失稳,从而在半金属费米面处打开能隙,形成激子绝缘体状态。但迄今为止,实验上观测激子绝缘体相是一个尚未完全解决的关键科学问题。激子绝缘体相存在及其玻色-爱因斯坦凝聚的确凿证据并不充分,主要是由于激子的寿命较短,带来观测上的困难。   InAs/GaSb半导体量子阱系统是重要的红外探测器体系,其能带结构独特,本征情况下会自发形成空间分离的二维电子气和空穴气。由于其电子、空穴的空间分离,激子寿命变长,为研究激子绝缘体提供了良好的平台。在InAs/GaSb半导体量子阱中,通过调节InAs和GaSb层厚,可使GaSb层的价带顶高于InAs层的导带底,体系中可以自发地形成局域于InAs层的电子气和局域于GaSb层的空穴气,两者在实空间分离。美国斯坦福大学张首晟研究组的理论工作证明,InAs/GaSb量子阱的基态是二维量子自旋霍尔绝缘体;美国莱斯大学/北京大学杜瑞瑞实验组在该系统中观察到拓扑边缘态的输运,并发现边缘态输运即使在强磁场下仍能保持。   如果考虑电子-空穴间的库仑作用,即当激子束缚能大于体系的杂化能隙时,理论上猜想该体系基态形成如Mott预言的激子绝缘体相甚至拓扑激子绝缘相。美国莱斯大学/北京大学杜瑞瑞实验组、美国莱斯大学大学Kono实验组和中国科学院半导体研究所常凯理论组,从实验和理论两方面研究InAs/GaSb量子阱中的激子绝缘相。研究员常凯、副研究员娄文凯构造了平行磁场下激子的多带量子多体理论模型,研究激子绝缘相的基态及其独特的色散,发现激子的基态是处于有限动量处的暗激子。在低温且低电子-空穴对密度情形下,体系打开类似BCS超导体中的能隙。通过研究激子的色散关系,提出利用太赫兹透射谱来验证激子绝缘体的存在,指出太赫兹透射谱表现为两个吸收峰,理论计算预言的吸收峰位与实验一致,为激子绝缘相光学观测提供了理论依据。   相关研究成果发表在Nature Communications上。