二维材料中的声子角动量研究

Phonon, one of the most important concepts in solid physics, is a quasiparticle with energy and momentum. A very recent study shows that phonon can also carry nonzero angular momentum. This discovery will definitely affect many areas of condensed matter physics, such as Einstein-de Haas effect & measurement of gyromagnetic ratio, spin-phonon interaction & phonon Hall effect, electron-phonon coupling & selection rules for electronic scattering, all which have not been well studied. In this project, we will systematically study the phonon angular momentum in two dimensional materials. Through investigating phonon angular momentum in materials with different lattice structures and different magnetic properties, we can give the correction to the measurement of gyro magnetic ration through Einstein-de Haas effect and give constructive guidance to future experiments on phonon angular momentum. We will study spin-phonon interaction and calculate phonon Hall effect using nonequilibrium Green functions approach, then illustrate the relation between phonon Hall effect and phonon angular momentum. To calculate the phonon Hall conductance and phonon angular momentum for real materials, we will develop codes based on first principle software such as Quantum Espresso. Then we will derive the selection rules for electronic intervalley scattering by phonon thus to explain the related experiments. Based on the study in this project, we can predict some new observable macroscopic effects and potential applications on phonon angular momentum, valley phonon polarization and so on.

声子是固体物理学中最重要的概念之一， 它作为准粒子既有能量又有动量。最近研究表明， 声子也可以携带角动量。 声子角动量的发现将影响到凝聚态物理中的很多方面，如爱因斯坦德哈斯效应与磁旋比测量，自旋声子相互作用与声子霍尔效应，电声相互作用与电子跃迁选择定则等，所有这些还有待展开研究。 我们将开展二维材料中声子角动量系统研究， 探索不同晶格结构、不同磁性材料中的声子角动量，力争准确给出爱因斯坦德斯效应测量不同材料磁旋比的修正，并对声子角动量的相关实验给予指导；深入研究不同材料中的自旋声子相互作用，利用非平衡态格林函数方法计算声子霍尔效应，并研究声子霍尔效应与声子角动量的关系； 发展第一性原理辅助计算声子角动量与霍尔热导的程序，并开展相关材料计算；阐明声子辅助的电子谷间散射的选择定则， 给予相关实验解释。 通过本项目的研究，我们力争能够预测与声子角动量以及谷声子极化等相关的新的观测效应与潜在应用。

声子是凝聚态物理学中最重要的概念之一， 它作为准粒子既有能量又有动量。最近我们的研究表明， 声子也可以携带角动量。 对于磁性体系中的角动量可以不为零。 对于空间反演对称性破缺的体系， 我们发现了非简并的圆极化的手性声子， 也就是每个声子模带有角动量。 声子角动量和手性声子的发现将影响到凝聚态物理中的很多方面。我们首先研究了声子参与电子谷间散射的选择定则。 在六角AB晶格体系中布里渊区高对称点的声子是圆极化的，具有角动量， 三度旋转对称性赋予了声子具有周期为3的赝角动量。 手性谷声子决定了谷电子谷间跃迁的选择定则， 不只是需要能量守恒、动量守恒， 还需要由三度旋转对称所决定的赝动量守恒。 我们先后研究了双层中心堆积的三角格子、 六角超晶格、石墨烯/氮化硼异质结， kagome晶格等体系的声子。 研究了各个声子模的声子极化（角动量），在高对称点处的声子赝角动量，以及贝利曲率等。 发现声子手性的鲁棒性，频率的可调节性。 我们开展了对声子角动量和手性声子的第一性原理计算， 比如双层三角中心堆积体系氯化钠、石墨烯/氮化硼异质结体系， MoS2/WS2具有间接带隙的异质结体系内手性声子的研究， 发现了在这些体系可以激发手性声子， 为手性声子在不同实际材料中的应用打下基础。通过与实验合作， 我们验证了手性声子及其在电子谷间散射选择定则， 在布里渊区边界的手性声子可以点亮一些暗激子； 在布里渊区中心处的手性声子可以和光子产生量子纠缠。 这些实验逐步拓展了带有角动量的手性声子在二维材料、 光电子学、谷电子学等方面的应用。