拓扑自旋泵效应研究

Quantized spin-pump effect is not only one of the most fundamental research objects in quantum physics but also an important challenge in the field of spintronics. In this proposal, we will theoretically explore the quantized spin-pump effect in quantum spin-topological systems according to the internal consistency between the topology and the pumping quantization. We will first focus on finding spin-nonconservsped topological systems and classifying them by means of appropriate topological invariants. Based on these systems, we will investigate topological spin resonance effect to realize quantized pure spin currents. The second object in this proposal is to find the spin-frozen topological systems and realize the topologically-protected spin-charge pump currents. Our proposal shall in principle be helpful for finding new spin-related topological systems and generating the quantized pure spin pump currents and spin-fully-polarized pump currents.

寻找量子化的自旋泵浦效应不仅是量子物理的一个基础研究目标，也是自旋电子学领域的一个重要挑战。由于拓扑与量子化泵浦效应具有内在的一致性，我们拟在这个项目中，从理论上研究自旋拓扑体系的量子化自旋泵浦效应。我们首先探索自旋不守恒的拓扑体系，对其进行拓扑鉴别和分类，并实现拓扑自旋共振效应，产生量子化且受拓扑保护的泵浦纯自旋流；同时我们准备进一步研究自旋冻结的拓扑体系，探索自旋全极化的拓扑自旋泵浦效应并实现量子化的泵浦自旋电荷流。本项目的完成，对寻找新的自旋拓扑体系和实现受拓扑保护的量子化自旋流以及自旋-电荷流提供一定的理论帮助作用。

我们提出一个新的电荷量子化泵浦协议方法（quantum pump protocol），它使得传统的两参数电荷泵实现量子化效应，即在一个泵浦周期里，系统泵浦出整数的电荷量。它的物理来源是泵浦参数或者泵浦势场可以导致局域区域发生平庸或非平庸拓扑相变，量子化的泵浦受系统拓扑保护。在此新协议基础上，我们提出了利用二维量子霍尔绝缘体的边界态作为材料基底，含时的磁化作为泵浦势场，我们得到受拓扑保护的量子化电荷泵，同时我们也获得了量子化的自旋泵以及单个自旋-电荷泵。在考虑磁化的硅烯为材料基底，我们利用含时的交错势场作为泵浦参，获得了量子化的自旋泵浦效应。这两个具体拓扑自旋泵的例子是以我们开发的新量子化泵浦协议为基础的，我们认为该项目的研究成果具有原始创新性，为实现量子参数泵的泵浦结果量子化，包括电荷和自旋量子化，提供了新思路。