激子极化激元的拓扑相变及其约瑟夫森效应

Topological phase transition has become a hot topic for domestic and overseas researchers in physics at present, and its research object mainly focuses on fermions like electron. But there are few reports on the topological phase transition of bosons with nonlinear interaction. In this project, the applicants will take exciton polaritons in a semiconductor quantum well for example, and discuss the topological phase transition of coupled bosons. In the hexagonal structure of exciton-polariton condensate, we will use the lattice model, diagonalize the Hamiltonian of system, and obtain the wave function of the non-degenerate ground state. By the Berry connection, we will define the topological index, investigate the topological properties of the system and method of measurement in experiment, and pay much attention to the influence of interaction on the topological index. On this basis, we will change the index by the modulation of external fields, let the topological phase transition occur, and then explore the physical properties in this process. Finally, the effect of phase transition on the Josephson current will be discussed by the condensate Josephson junction, especially at the transition point. Our study will not only extend the research scope of topological phase transition where the method can be applied to other bosons with interaction, but enrich the cognition of topological phase transition of bosons and provide the theoretical basis for designing small devices with specific functions.

拓扑相变已成为当前国内外物理学研究的热点，其研究对象主要集中在电子等费密子上。然而，关于有非线性相互作用的玻色子的拓扑相变则很少有报道。在本项目中，申请者以半导体量子阱中的激子极化激元为例，讨论耦合型玻色子的拓扑相变。在该玻色子凝聚体的六角晶格结构中，我们采用格点模型，对哈密顿量进行对角化，获得非简并基态。通过贝里连接定义系统的拓扑指数，研究系统的拓扑性质以及实验上的测量方式，重点探讨相互作用对拓扑指数的影响。在此基础上，通过外场的调控，改变系统的拓扑指数，让其发生拓扑相变，探索这一过程中物理性质的变化情况。最后，通过凝聚体的约瑟夫森结，讨论拓扑相变对约瑟夫森流的影响，尤其是相变点处流的变化。我们的研究不仅扩展拓扑相变的研究范围，其研究方法可以运用到其它有相互作用的玻色子上，而且可以丰富人们对玻色子拓扑相变的认识，并为设计有特殊功能的小型器件提供理论基础。

在二维材料中，拓扑相变已成为当前国内外凝聚态物理学研究的热点，系统的拓扑数决定着流的通道数目，并且这些流不会受边界的缺陷、杂质和无序的影响，这一特征非常适合未来量子器件的发展要求，而且这种器件具有高效、发热少等优点。目前大部分的研究对象集中在电子等费密子上，相对来说，玻色子的拓扑相变报道比较少。在本项目中，申请者以半导体微腔中的激子极化激元为例，讨论玻色子的拓扑相变。在六角晶格结构中，我们考虑了半导体微腔中的纵横模劈裂和P轨道。发现子格势不能破坏P轨道能带的狄拉克点，这一点与普通的单层石墨有显著的不同。加入磁场后，系统就会发生拓扑相变，这些相变通过相图反映出来。此外某些能隙的出现是由于磁场和旋转场的竞争效应产生的。在绕中心旋转的环形凝聚体中，我们发现有相位滑移现象和双稳现象。当考虑自旋轨道耦合存在时，会出现一系列的滞后回线，其间隔由自旋轨道耦合的强度决定。在一定的激发强度下，系统会出现多稳现象，还能出现一种自旋的凝聚体发生绕数跃变，而另一种自旋绕数不发生变化，这种现象是由于自旋轨道耦合和旋转能相互竞争的结果导致的。以上这些结果加深了人们对玻色子拓扑相变和旋转凝聚体的认识，同时，可以在未来的光电子器件上有很重要的应用，如开关、逻辑门等，也为设计有特殊功能的小型器件提供理论基础。