拓扑绝缘体毕业论文

激光通常是线偏振的，这意味着它的光波只在一个方向上振荡——在左边的例子中是向上和向下。但它也可以是圆偏振的，在右边，所以它的波像开瓶器一样绕着光传播的方向旋转。SLAC和斯坦福大学的一项新研究预测，圆偏振光可以用以前不可能的方式来 探索 量子材料。资料来源:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 去年年初，COVID-19大流行关闭了能源部SLAC国家加速器实验室的实验，Shambhu Ghimire的研究小组被迫寻找另一种方法来研究一个有趣的研究目标:被称为拓扑绝缘体(TIs)的量子材料，可以在其表面导电，但不通过其内部。 瑞士国家科学基金会研究员Denitsa Baykusheva两年前加入了他在斯坦福脉冲研究所的团队，目标是找到一种方法在这些材料中产生高谐波，或HHG，作为研究它们行为的工具。在HHG中，激光通过物质照射会转变为更高的能量和更高的频率，称为谐波，就像按下吉他弦会发出更高的音调。TIs是自旋电子学、量子传感和量子计算等技术的基石，如果能做到这一点，将为科学家研究这些和其他量子材料提供新的工具。 随着实验中途停止，她和她的同事转向理论和计算机模拟，提出了在拓扑绝缘体中产生HHG的新配方。结果表明，沿激光束方向旋转的圆偏振光，会从导电表面和TI(即硒化铋)内部产生清晰、独特的信号，实际上会增强来自表面的信号。 上图展示了圆偏振激光(上图)是如何探测拓扑绝缘体(黑色)的，这是一种量子材料，在其表面导电，但不通过内部。光导致材料中的电子飞离，重新组合，并通过一个被称为高谐波产生的过程发出更高能量和频率的光(白色)。通过分析发出的光，科学家可以测量材料中电子的自旋和动量。SLAC的实验证实，这些信号是拓扑表面的唯一特征。资料来源:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 当实验室重新开放进行实验，并采取了covid安全预防措施时，Baykusheva第一次开始测试这个配方。在今天发表在《纳米快报》(Nano Letters)上的一篇论文中，研究小组报告说，这些测试完全按照预期进行，从拓扑表面产生了第一个独特的签名。 “这种材料看起来与我们尝试过的任何其他材料都非常不同，”PULSE的首席研究员Ghimire说。“能够找到一种新型材料，这种材料的光学反应与其他任何材料都不同，这真的很令人兴奋。” 在过去的十几年里，Ghimire和PULSE主任David Reis做了一系列实验，证明HHG可以用以前认为不可能或甚至不可能的方式产生:将激光射入晶体、冷冻氩气或原子薄的半导体材料。另一项研究描述了如何使用HHG产生阿秒激光脉冲，通过通过普通玻璃照射激光，可以用来观察和控制电子的运动。 这种箭头图案反映了拓扑绝缘体表面电子的自旋和动量的组合。拓扑绝缘体是一种在其表面传导电流而不是通过其内部的量子材料。SLAC的实验发现圆偏振激光与这种自旋偏振耦合，产生一种独特的高谐波产生模式，这是拓扑表面的特征。资料来源:Denitsa Baykusheva/斯坦福PULSE研究所 但是量子材料坚决反对以这种方式进行分析，拓扑绝缘体的分裂特性提出了一个特殊的问题。 “当我们用激光照射TI时，表面和内部都会产生谐波。挑战在于如何将它们分开。” 他解释说，该团队的关键发现是，圆偏振光与表面和内部以截然不同的方式相互作用，促进来自表面的高谐波产生，并赋予其独特的特征。反过来，这些相互作用是由表面和内部的两个基本区别形成的:它们的电子自旋极化的程度——例如，以顺时针或逆时针方向为方向——以及它们原子晶格中的对称类型。 SLAC高功率激光实验室的实验装置示意图，科学家们使用圆偏振激光探测拓扑绝缘体——一种量子材料，在其表面导电，但不通过其内部。一个被称为高谐波产生的过程将激光转换为更高的能量和频率，或称谐波。这在探测器(箭头)中产生了偏振模式，揭示了导电表层电子的自旋和动量——拓扑表面的独特特征。来源:Shambhu Ghimire/斯坦福PULSE研究所 Ghimire说，自从该小组今年早些时候在TIs上发表了实现高氢高汞的配方以来，德国和中国的另外两个研究小组已经报告了在拓扑绝缘体中创造高氢高汞的情况。但这两个实验都是用线偏振光进行的，所以他们没有看到圆偏振光产生的增强信号。他说，这个信号是拓扑表面状态的一个独特特征。 由于强烈的激光可以将材料中的电子变成电子的汤——等离子体——研究小组必须找到一种方法来改变他们的高功率钛蓝宝石激光器的波长，使其延长10倍，从而减少10倍的能量。他们还使用非常短的激光脉冲来减少对样品的损害，这还有一个额外的好处，即允许他们以相当于百万分之一秒十亿分之一秒的快门速度捕捉材料的行为。 “使用HHG的优势在于它是一种超快的探测器，”Ghimire说。“既然我们已经确定了这种探测拓扑表面状态的新方法，我们可以用它来研究其他有趣的材料，包括由强激光或化学方法诱导的拓扑状态。” 来自斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)、密歇根大学安娜堡分校和韩国浦项 科技 大学(POSTECH)的研究人员对这项工作做出了贡献。

在均质光滑的水平面上滴落一个液滴，直觉告诉我们液滴将要么静止，要么随机运动。 那么如果液滴是在垂直振动的液体浴表面上，其运动状态应该是怎样的呢？

早在2005年， 法国科学家 A. Boudaoud 发现小液滴可以在以高加速度垂直振动的液体浴上无限弹跳（Phys. Rev. Lett. 94, 177801 (2005).）。如果继续增加该加速度，可以使弹跳液滴在液体表面以恒定的水平速度“行走”， 值得注意的是，这个宏观系统的动力学和统计特征类似于微观量子系统 ，相关成果于2005年发表在 Nature 上（Nature 2005, 437, 208.）。

液滴运动模型帮助理解自旋系统，一篇Nature

在这项工作的基础上， 麻省理工学院 John W. M. Bush教授 课题组 发现弹跳液滴阵列可以模拟自旋系统（粒子的内在角动量），提出了“行走”液滴的流体动力学自旋晶格（HSL）作为一类具有粒子波耦合的主动自旋系统 。作者的这些发现可以增加对基于自旋的电子和计算的自旋系统的了解，并为未来的研究提供了令人兴奋的方向，从有源自旋波动力学到流体动力学模拟计算和基于液滴的拓扑绝缘体。相关研究成果以题为“Emergent order in hydrodynamic spin lattices”的论文发表于最新一期《Nature》上。

【物理模型】

为了帮助大家更好理解典型无序系统中有序现象的出现，首先介绍两个物理模型：（1）振荡器的动态同步（比如当一只萤火虫看到附近的其他萤火虫闪烁时，它会加快或减慢自己的闪烁速度以与相邻的萤火虫同步）；（2）自旋模型（在该模型中，自旋排列在晶格上，这些晶格与热浴处于热平衡状态）。

【HSL系统】

作者构筑了HSL系统，其是由一系列同相弹跳液滴组成，每个液滴由一个浸没的圆形井限制并在垂直振动的液体浴的表面上运行（图1a，1b）。作者通过振动力和晶格几何形状的变化，以及通过施加系统旋转来模拟外加磁场的影响，诱导一系列集体“磁”有序现象， 证明了HSL的可调谐性 。

首先，作者通过改变 驱动加速度（γ） 和 相邻井之间流体浴的深度（H） 来调整 自旋-自旋耦合的幅度 （图 1b）。当成对耦合足够强时，最近邻相互作用可能会导致自旋翻转，这种翻转可以促进整个晶格的相干集体动力学。然后作者通过研究自旋数（N）= 20等距井和L/λ F = 的一维周期性（圆形）HSL（图1a，d-h），验证了HSL可以支持不同类型的集体有序，具体取决于晶格间距（L）和法拉第波长（λ F ）之间的比率。从随机的初始自旋配置开始，作者观察到成对相互作用可以触发多次自旋翻转（图1d），导致瞬时磁化强度和自旋-自旋相关性的波动（图1e））。平均磁化强度消失⟨ M ⟩ 0，表明整体的镜像对称性得以保留（图1e）。然而，负的对相关⟨ χ ⟩ < 0表明偏向于局部反铁磁有序（图1g）。保持L /λ F 固定，在非周期性边界条件、不同N值和不同晶格半径R 的实验中出现类似的反铁磁偏置，确认反铁磁有序是由晶格间距选择的。出现的反铁磁有序的强度非单调地取决于驱动幅度γ（图1h）。对于γ γ c 观察到最强的集体反铁磁响应，表明整体集体有序与单个自旋态的鲁棒性之间存在相关性（图1c）。对于反铁磁HSL，作者发现对同相旋转有很大的偏差（图1f），这意味着相干轨道同步和紧急自旋有序之间存在因果关系。

作者为了证明集体自旋动力学如何取决于晶格几何形状，对减小的晶格间距L /λ F = 进行了一维实验（图2a-d）。实验表明晶格几何形状的变化可用于控制局部磁序，但不会导致整体镜像对称性破坏。为了使几何决定HSL中的集体自旋有序和相位同步的方式合理化， 作者从实验系统的详细流体动力学描述中导出了一个通用的相位振荡器模型 （图2e）。具体而言，有两个铁磁相FM 和两个反铁磁相AFM ，分别以优先同相（+）和异相（-）旋转为特征（图2f）。根据L，力参数α和β可以为正或为负，从而产生对应于耦合电位最小值的四个磁相。模型预测与实验数据非常吻合：反铁磁（图1d-f；L = mm）和铁磁（图 2a-c；L = mm）HSL 实验分别落在预测的AFM + 和FM + 范围内。

据报道，通过施加恒定磁场，反铁磁材料中的自旋可以重新排列成铁磁状态。作者通过以角速度（Ω）绕垂直轴旋转振动浴确定HSL是否可以经历类似的整体对称性破坏。当旋转方向由逆时针变为顺时针时，有效磁化强度（⟨ M ⟩）由正变负。然而向铁磁有序的转变需要超临界转速|Ω| > Ωc rad s 1 （图3e）。旋转也会影响成对相位同步：随着自旋动力学由科里奥利力（Coriolis force）主导，相位差变得不相关（图3c）。表征旋转框架中的单自旋动力学揭示了导致场致极化的机制（图3f，g）。

二维经典量子自旋晶格显示了其一维对应物所不具备的特征，包括几何不稳定性和拓扑排序。 HSL为在宏观尺度上 探索 这种影响提供了一个有前途的平台。 例如，在没有旋转的情况下（Ω= 0；图4b，c）促进反铁磁有序的方形 HSL（图4a），随着科里奥利力的增加而发生极化转变(图4e)。此外，补充数据中对较大晶格的模拟证实了方形晶格中集体磁序的出现。

【总结】

John W. M. Bush课题组展示了液滴在垂直振动的液体浴表面上弹跳的行为。由于水下井的存在，浴的深度不同。在一定条件下， 液滴产生逐渐衰减的表面波，使液滴沿着顺时针或逆时针的圆形轨迹运动并以复杂的方式相互作用。 当这些圆形井排列在具有小（毫米级）晶格间距的一维或二维晶格上时，根据晶格形状和尺寸以及实验条件， 液滴自旋的模式可以类似于铁磁性或反铁磁性中的磁自旋排列。

总的来说，液滴阵列可以同步它们的弹跳垂直运动的能力就像萤火虫同步它们的闪光一样，另一方面，液滴自旋可以通过微妙的流体动力学相互作用表现出图案形成和对称性破坏，类似于在磁自旋物理模型。 因此，该系统似乎结合了前面提到的两个物理模型。

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参考文献