拓扑材料中量子泵浦效应的研究

Topological transport phenomena are generally protected by certain topological invariants, and exhibit universal properties that are immune to impurity scattering and insensitive to material details. Since the discovery of the integer quantum Hall effect in two-dimensional electron systems in 1980, the first example of the topological transport phenomena, the fascinating characteristics of topological transport continue to be the primary focus of more and more research activities. In this project, we will study the quantum pumping effect, including charge pumping, spin pumping and valley pumping effect, in many topological materials. We study the pumping effect in silicene,topological crystalline insulator, topological semimetal and topological superconductor, aiming to obtain net spin current and net valley current in the spin-valley materials, reveal the relation between pumping current and the chirality of Weyl fermions in Weyl semimetal, find the pumping characteristic of Hopf-link semimetal and trefoil-knot semimetal proposed recently in theory to distinguish them from the general node-line semimetal, find a new topological invariant to describe the pumping in class-D topological superconductor and establish a relation between the amount of charge pumped to the topological invariant. In addition, the fully polarized spin and valley currents generated in the pumping can be useful in spintronic and valleytronic applicatiions.

拓扑输运现象由一定的拓扑不变量所保护，它不受杂质散射影响，并且对材料的细节不敏感。自从上世纪80年代，整数量子霍尔效应在二维电子气中被发现以来，拓扑输运持续成为研究热点。本项目研究多种拓扑材料中的量子泵浦效应，包括电荷泵浦、自旋泵浦及谷泵浦。探究硅烯和拓扑晶态绝缘体等自旋-谷材料中的拓扑泵浦效应，给出系统出现纯自旋流和纯谷电流的条件。研究拓扑半金属的拓扑泵浦效应，对于Weyl半金属，揭示泵浦流与Weyl费米子手性的关系。对于最近理论上提出Hopfl-link半金属以及trefoil-knot半金属，理论上得到其泵浦的特点及与普通node-line半金属的区别，为实验上确认这两种半金属提供方法。研究D类拓扑超导体的泵浦效应，发展新的拓扑数来刻画这种泵浦效应，建立拓扑数与一个周期泵浦的电荷量的关系。项目中产生的完全自旋极化和谷极化的电流在自旋电子学和谷电子学方面有巨大的应用前景。

拓扑输运现象由一定的拓扑不变量所保护，它不受杂质散射影响，并且对材料的细节不敏感。自从霍尔效应被发现以来，拓扑输运持续成为研究热点。本项目研究了几种拓扑材料的泵浦效应和输运性质，项目执行期间取得了以下成果：.（1）研究了拓扑超导体中的电荷泵浦效应。发现在拓扑超导体中，泵浦效应由一个泵浦循环过程中Majorana边界态的存在来表征。当拓扑超导体存在一个Majorana边界态时，在一个循环过程中，将有一个Majorana态被泵浦到电极。这导致了半整数量子化的电荷泵浦效应，因为Majorana费米子可视为半个电子。这种半整数量子化的电荷泵浦效应可作为Majorana费米子存在的证据。.（2）提出了一种新的Andreev反射类型。在一个具有球形费米面的三维金属中，可以发生向后Andreev反射和镜面Andreev反射，前者有三个速度分量均反号，而后者只有一个速度分量反号。这里，我们预言了一个新的Andreev反射类型，它有两个速度分量反号，我们称之为反常Andreev反射。这种反Andreev反射可以在具有轮胎型费米面的材料中实现，我们发现反常Andreev反射可以通过非定域电导谱来测量，在非定域电导谱，反常Andreev反射表现为一个山脊结构。这项工作为Andreev反射光谱开辟了一条新的途径，并提供了环面形费米表面的清晰传输特征。.（3）研究了普通Weyl半金属和多重Weyl半金属的泵浦效应。发现泵浦流的方向由Weyl点的手性决定，而Weyl点的单极子荷则决定了每个周期泵浦的Weyl费米子的数量。对于多重Weyl半金属，虽然它的能量色散关系是各向异性的，但泵浦效应是各项同性的。由于Weyl半金属中相反手性的Weyl点总是成对出现，总的泵浦粒子流消失，而给出一个净谷电流。我们提出使用谷极化的电极，抑制一个Weyl谷，使得两个Weyl点的泵浦流不能完全抵消，从而给出可以测量的电荷流。.（4）研究了由螺旋轴对称保护的双重Weyl半金属。在体系具有螺旋轴对称时，可以存在稳定的双重Weyl点。而且系统的对称性完全决定了双重Weyl点附近低能有效哈密顿量的形式。