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《中国科学院物理研究所科学家在单层铁磁材料GdAg2中发现外尔节线》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： shenxiang
  • 发布时间：2019-10-21

  • 自旋电子学器件的发展在一定程度上依赖于磁性材料的发展。在2017年，科学家首次在实验上获得了二维铁磁材料，引发了该领域的研究热潮，但是实现拓扑性的二维铁磁材料仍面临较大挑战。

    中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心与北京理工大学以及日本广岛大学的研究人员合作，利用同步辐射角分辨光电子能谱并结合理论计算，在单原子层的铁磁材料GdAg2（Tc≈85 K）中发现了自旋极化的外尔节线。通过深入的分析，他们发现这些外尔节线受到晶体对称性的保护，因此具有很好的稳定性。另外，单层GdAg2中的某些外尔节线会随着磁化方向的不同而选择性地打开能隙。该研究为二维铁磁材料在纳米微电子器件中应用奠定了重要基础。

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  • 《物理所等在拓扑光子晶体中发现理想外尔点和节线锁》
    • 来源专题：中国科学院亮点监测
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2018-08-01
    •         近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室L01组和英国合作者首次实验发现了理想外尔点及其螺旋表面态，结果在《科学》杂志上发表[Science 359, 1013 (2018)]。同时L01组又首次实验发现了节线锁的光子能带结构及其鼓面表面态，结果在《自然-物理学》杂志上发表[Nature Physics 14, 461 (2018)]。 　　外尔点是三维能带的线性简并点，倒空间的拓扑荷。2015年，外尔点几乎同时分别由物理所和普林斯顿大学的研究团队各自独立在电子体系（Phy. Rev. X. 5，031013, Science. 347，294），以及光物理L01组研究员陆凌在MIT期间在光子体系（Science. 349，622）中实验得到，掀起了外尔点的研究热潮。随后，各种新的外尔材料及物理体系大量涌现。然而，已发现材料体系中的外尔点都不理想，所有外尔点的能量并不一致，或者在同一能量还存在其他的能带。非理想外尔材料将大大限制对外尔物理的研究及其在器件中的表现。针对此问题，清华大学和南京大学曾提出过在光子体系和电子体系中实现理想外尔点的理论预言（Phys. Rev. A. 93, 061801; Nat. Commun. 7, 11136）。 　　另外，弧状表面态是鉴定外尔材料的一个重要特征，但这只是等能面的拓扑表面态形状，外尔点的全局表面态由物理所T03组特聘研究员方辰理论指出是一个定义在二维布里渊区上的三维螺旋面，其旋转的奇点即为Weyl点在表面的投影（Nat. Phys. 12, 936），而目前人们只从实验上观测到了费米弧，整体的三维空间螺旋表面态还未在实验上证实。 　　陆凌于2016年从MIT回到物理所工作，作为光物理实验室L01组组长与副研究员刘荣鹃、博士生阎清晖、T03组方辰，英国伯明翰大学教授张霜和博士生杨镖、郭清华等合作，在拓扑光子晶体中理论设计并实验实现了理想的外尔点，而且得到了时间反演对称性保护下最少个数的四个外尔点，同时也第一次完整地在实验上观测到外尔体系表面态的三维螺旋面结构，该工作于2018年1月在线发表在《科学》杂志上，英国的团队在这项工作中做出了主要贡献。 　　理想外尔点的光子晶体设计如图1a左下角插图所示，为互联马鞍型金属结构的原包，不但在倒空间中有四个等频外尔点，而且其周围没有其他平庸能带存在（图1a）。在实验上，他们通过测量角分辨的透射谱，从不同的角度测得该结构的投影能带，结果与理论计算的投影能带一致（图1c），从而验证了理想外尔点的存在。外尔体系另外一个重要的拓扑特征为表面态。如图1b所示，此结构的四个外尔点中相邻的外尔点呈现不同的手性，连接体态的表面态呈现三维螺旋面结构。进一步扫描测量表面场，并对之进行傅里叶变换，可得到不同频率的体态和表面态的分布图（图1d）。可清晰地看到，四个呈椭圆状的体态沿对角线对称分布，而表面态连接相邻的具有相反拓扑荷的体态，且随着频率呈连续的螺旋状演化，因此证实此体系的表面态呈三维螺旋面结构，与理论计算一致。至此，第一次从实验上证实了关于螺旋表面态的预言。这一理想外尔点的发现，为研究外尔体系和设计新颖的拓扑器件提供了理想的光子平台，同时拓展了人们对外尔体系表面态的整体认识。 　　外尔点的存在不需要任何对称性条件，需要的是破缺时间和空间反演对称性中的至少一个，所以在大部分有时间和空间反演对称性的材料体系中，两个能带的线性简并都不可能是外尔点，而是以线简并的形式出现。与外尔点相比，线简并可以有更加丰富的倒空间构型，比如可形成如图2所示的节线环（nodal ring）（图2a）、节线锁(nodal chain)（图2b）、节线链(nodal link)（图2c），以及节线结(nodal knot)（图2d）等。目前，虽然有一些节线环的材料被报道，但是都不理想，而节线锁、链、结还没有相关实验的报道。陆凌刚回国就和阎清晖及刘荣鹃开展了在光子晶体中实现节线锁的实验工作，并在理论上获得了清华大学高等研究院研究员汪忠及其博士后严忠波的帮助，其他的合作人员L01组的聘用人员刘博远和浙江大学教授陈红胜也都在此工作中作出了重要贡献。 　　实际上，节线锁和其他三类线简并构型不同，它需要除了空间时间反演之外的额外对称性的保护，如镜面或滑移对称性。L01团队从理论上设计了如图3a所示的金属网状的三维光子晶体，此结构在倒空间中的能带形成两种不同的环状线简并，这两种线简并环连接环又进一步构成节线锁结构（图3c）。实验上，采用铝合金材料，通过机械加工，逐层堆积得到金属网三维光子晶体。然后通过角分辨透射谱的实验测量，得到不同角度投影的体态色散曲线，与理论计算的不同角度的投影体态色散曲线一致（图3d）。另外，节线材料的拓扑表面态是一个鼓面，它起止于节线体态在表面的投影，即局限于节线的投影范围内。通过扫描表面电场的强度和相位，并做傅里叶变换，可以直接得到表面态的色散曲线，清晰地观测到了呈现鼓面状的表面态（图3e），与理论计算一致。这一工作首次在实验上实现了复杂的节线拓扑结构：节线锁，为进一步研究节线锁材料的物性提供了实验平台，也为其他节线拓扑结构的发现提供了思路和方法。 　　上述两个工作都是在微波波段进行，根据麦克斯韦方程的尺寸不变性，上面的结构设计及相关计算和测试结果都可适用于电磁波的任何波段，因此，可扩展的太赫兹波段、红外和可见光波段，有利于在微波器件及各种光学元件设计中的应用。 　　以上工作得到了来自科技部重点研发计划2017YFA0303800, 2016YFA0302400，自然科学基金委11721404, 11674189, 61625502, 61574127以及青年相关人才计划的资助。
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  • 《多位中国科学家当选国际欧亚科学院院士》
    • 来源专题：科技大数据监测服务平台
    • 编译者：zhouj
    • 发布时间：2019-10-08
    • 近日，接国际欧亚科学院通知，经国际欧亚科学院中国科学中心院士大会选举推荐，国际欧亚科学院主席团审议通过，中国海洋大学原校长、教授、中国海洋大学校友会会长吴德星当选为国际欧亚科学院院士。与吴德星教授同时当选的还有中国海洋大学1982届校友、中国科学院大学海洋学院院长孙松研究员。 吴德星博士现任中国海洋大学教授、博士生导师，中国海洋大学校友会会长。吴德星教授致力于物理海洋学研究，是最早提出“透明海洋”设想并付诸探索的研究者之一，也是海洋观测仪器规范化海上试验的开拓者之一；作为技术组组长参与了国家《渤海碧海行动计划》和浙江、福建重大用海工程；曾任“973计划”项目首席科学家。他潜心学术研究，在海洋环流动力学理论、数值模式与数据分析、船基海洋观测平台技术等方面取得系列创新性科技成果，发表学术论文170余篇，出版编著3部，获发明专利和计算机软件著作权9项；获国家科技进步二等奖1项，省部级科技奖6项；热心科普教育，任总编组织编创出版海洋科普丛书3套（21册），其中2套获全国优秀科普作品；2004年获国务院政府特殊津贴，2008年获大韩民国宝冠文化勋章。 孙松研究员现任中国科学院大学海洋学院院长、中国海洋湖沼学会理事长、国际海洋研究委员会副主席，曾任中国科学院海洋研究所所长。孙松研究员长期致力于海湾、近海、极地和深海生态学研究与技术创新，在海洋生态系统演变的理论与方法、海洋生态灾害发生机理与综合防控、深海探测与研究体系建设等方面起到引领作用。近年来，担任首席科学家组织实施中国科学院战略性先导科技专项（A类）和青岛海洋科学与技术国家试点实验室鳌山科技创新计划项目，作为首席科学家完成国家“973计划”项目一项；担任国家基金委重点项目负责人及中国科学院方向群项目顶层设计专家等。发表论文283篇，其中被SCI收录116篇，第一作者和通讯作者文章147篇；出版专著7部，获得省部级奖励4项。 国际欧亚科学院是由世界著名自然科学家、工程技术专家和社会科学家组成的国际科学团体，成立于1994年，目前已拥有欧洲、亚洲、北美洲、南美洲和澳洲等46个国家600余名院士、通讯院士和荣誉委员。国际欧亚科学院总部设在莫斯科，分别在欧洲（法国）、欧亚（俄罗斯）和亚太地区（中国）建立区域中心，并在15个国家建立了国家科学中心。 截至目前，国际欧亚科学院已先后选举出近200位中国院士、通讯院士及荣誉委员（包括港、台和外籍华裔科学家），学术专长涵盖了自然科学和技术工程的大部分领域、社会科学的部分领域，以及战略研究和管理学领域等，充分体现了中国科学中心院士群体学科交叉、高端智库和国际化集成的优势。 ...
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