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  • 什么是量子自旋霍爾效應?

    作者:佚名 來源:網絡文檔 時間:2018-12-06 20:53 閱讀:3358 [投稿]
    “量子自旋霍爾效應”是指找到了電子自轉方向與電流方向之間的規律,利用這個規律可以使電子以新的姿勢非常有序地“舞蹈”,從而使能量耗散很低。

    “量子自旋霍爾效應”是指找到了電子自轉方向與電流方向之間的規律,利用這個規律可以使電子以新的姿勢非常有序地“舞蹈”,從而使能量耗散很低。

    在特定的量子阱中,在無外磁場的條件下(即保持時間反演對稱性的條件下),特定材料制成的絕緣體的表面會產生特殊的邊緣態,使得該絕緣體的邊緣可以導電,并且這種邊緣態電流的方向與電子的自旋方向完全相關,即量子自旋霍爾效應。

    超構材料中的光學量子自旋霍爾效應

    電子的量子自旋霍爾效應的發現推進了凝聚態物理學的發展,它是 一種電子自旋依賴的具有量子行為的輸運效應 。大量的理論和實驗研究表明,描述電磁波場運動規律的麥克斯韋方程組內稟了光的量子自 旋霍爾效應,存在于界面的倏逝波表現出強烈的自旋與動量關聯性。得益于新興的光學材料:超構材料 (metamaterials ) 的發展,不僅能夠任意設定光學參數,同時也能引入很多復雜的自旋 - 軌道藕合機理,能夠更加清晰地了解和驗證其中的物理機理。對超構材料中量子自旋霍爾效應做了簡要的介紹,內容主要包括真空中光的量子自旋霍爾效應的物理本質、電單負和磁單負超構材料能帶反轉導致的不同拓撲相 的界面態、拓撲電路系統中光量子自旋霍爾效應等。 

    自由空間中光子的拓撲性質

    眾所周知,光子的傳播行為主要由麥克斯韋方程組進行描述。麥克斯韋方程組基本描述了光從經典電磁波到量子體系相對論范疇內的所有性質。光子本身是自旋為1的粒子,本身的傳播行為便具有內稟的自旋 - 軌道耦合效應,具有一系列的量子行為,如 Berry 相位,這些量子行為是光具有量子自旋霍爾效應的基石。

    所熟知的界面傳播模式便是表面等離子體激元 ( surface plasmon polaritons,SPP)。相比于真空中傳播的光,SPP 的傳播模式是橫截面處為倏逝場的表面模,大量研究發現橫向倏逝波這種傳播模式具有額外的自旋動量,而且該動量正交于其傳播波矢,這個額外的自旋動量來源于不同自旋拓撲介質在界面處的拓撲相變,這個拓撲相變引起可觀察的非平凡的光量子自旋霍爾效應。 

    除了在介質界面處能夠觀察到光的量子自旋霍爾效應,也可以通過引入強烈的光與物質相互作用來實現光的自旋態之間在材料中的相互耦合。在傳統的光學材料中,光的自旋與軌道耦合的作用非常微弱,難以觀察測量。如何加強光與物質之間的相互作用一直是一個至關重要的課題,但隨著超構材料的發展,這些問題逐漸得到有效解決。超構材料本身由深亞波長尺度的人工微結構單元組成,這些組成單元對于電磁波有著很強的局域響應,能夠極大地増強光與物質之間的相互作用。利用這些常規自然材料所不具備的光學性能可實現各種具有奇異性能的光學器件,諸如負折射、 超棱鏡以及光學隱身等。事實上,利用超構材料這一很好的光學平臺可從實驗上直接觀察光的量子自旋霍爾效應。 

    拓撲電路中的量子自旋霍爾效應

    在超構材料里光與物質的相互作用中,除了深亞波長的人工微結構對光的調控響應外,來自超構材科中晶格作用本身的耦合作用也不可忽視,尤其在一些具有強烈自旋 - 軌道相互作用的材料中,光的量子自旋霍爾效應非常明顯,對于這一類材料的研究促進了一門新興的材料研究分支:光子拓撲絕緣體。不同于自由空間中的光量子霍爾效應,來自晶格作用產生的光量 子自旋霍爾效應雖然所有能帶的總chern數仍為零,但在某一支體能帶上的chern 數不為零,這表明材料具有拓撲非平凡的帶隙,與不同拓撲性質的材料的接觸處會發生拓撲相變并具有受拓撲保護的單向邊緣態,兩個自旋態是相互分立的。

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