半狄拉克电子磁输运与磁光性质理论研究

Semi-Dirac electrons exhibit linear band dispersion in one momentum direction and parabolic band dispersion in the orthogonal direction. They possess the properties of both Dirac and Schrödinger electrons and may exhibit exotic quantum effects, which is a quite interesting but still lacking of cognition physical system. Exploring the response of the semi-Dirac electron to the magnetic field is helpful to further understand its basic physical properties, which is of great scientific significance. Based on our previous research experiences, the project is devoted to study the magneto-transport and magneto-optical properties of semi-Dirac electrons and its modulation method. Utilizing the low energy k.p Hamiltonian combined with the Kubo formula, we investigate the magneto-transport and magneto-optical properties of semi-Dirac electrons and compare our results with available experimental data, and find out the relation between the Hall (longitudinal) conductance and magneto-optical conductance and the band structures as well as the band parameters. Then, we study the influence of electron-electron Coulomb interaction on the Landau levels, magneto-transport and magneto-optical properties, including the dielectric function, the magneto-plasmons and the exchange-correction interaction. Finally, utilizing the tight binding model combined with the non-equilibrium Green’s function, we investigate the finite size and disorder effect on the Landau levels, magneto-transport and magneto-optical properties of semi-Dirac electrons and its modulation by external electric fields. Our research may be helpful to unfold exotic quantum effects and determine the band parameters of semi-Dirac electron systems. Moreover, it may provide physical supporting for designing novel electronic and optical devices based on semi-Dirac electron systems.

材料中半狄拉克电子能带沿一个动量方向是线性色散，与之垂直方向是抛物色散，所以兼具狄拉克电子和薛定谔电子的性质，可能表现出一些新奇量子效应，是一个很有趣但还缺乏认知的物理体系，研究其对磁场的响应有助于加深对其基本物性的理解而具有重要基础意义。基于申请者前期工作基础，本项目拟研究半狄拉克电子磁输运与磁光性质及其调控方法。采用低能k.p模型结合Kubo公式，研究半狄拉克电子磁输运和磁光性质并与已有的实验数据比较，找出霍尔电导、纵向电导和磁光电导与能带结构及其参数的关系；研究电子-电子相互作用对半狄拉克电子朗道能级、磁输运和磁光性质的影响，包括介电函数、磁等离子体和交换关联相互作用；利用紧束缚模型结合非平衡格林函数方法，研究有限尺寸和无序对半狄拉克电子朗道能级、磁输运和磁光性质的影响及外电场的调控。这类研究有助于揭示晶体中半狄拉克电子的新奇量子效应，为基于该体系的新颖光电器件设计提供物理基础。

半狄拉克材料是一种近年来理论预测并得到实验实现的新型各向异性电子材料，其电子低能色散沿一个动量方向是线性的，与之垂直动量方向是抛物的，兼具薛定谔电子和狄拉克电子的性质，展现出一些新奇量子效应。本项目主要研究二维半狄拉克电子体系对外磁场的响应规律，旨在加深对其基本物性的理解、提供确定能带参数方法和设计新型光电器件的物理基础。具体研究了二维半狄拉克体系的朗道能级与磁光谱、量子霍尔效应与隧穿磁阻效应、准粒子干涉效应、光子自旋霍尔效应等问题。半狄拉克电子目前仅在二维掺杂黑磷中观测到，磷烯常被看成是有带隙的半狄拉克电子，因此我们研究磷烯条带尺寸效应对其能带、输运与光学性质的影响，还考虑了电子-电子相互作用的情况。重要研究结果有：1）解析计算获得了与数值对角化结果高度吻合的半狄拉克电子朗道能级的表达式，发现朗道能级与磁场和能级指标2/3次幂成正比的独特规律；2）给出了磁光跃迁选择定则与磁光电导，发现两者都是各向异性的，能诱导很强的线性二色性，可用于构建磁调制的光学检偏器；3）解析预测霍尔电导是严格整数量子化的，电导平台的宽度或纵向电导相邻峰的间距可用于指导实验观测确定材料的能带参数；4）发现半狄拉克电子的隧穿磁阻是高度各向异性的，沿抛物（线性）色散方向输运时会产生巨（负）磁阻效应；5）当线缺陷沿抛物色散方向时，局域态密度衰减指数为−5/4，该指数可作为指纹标识在实验上表征半狄拉克电子；6）发现半狄拉克材料表面会产生巨大的光子自旋霍尔效应；7）给出了锯齿型、扶手椅型磷烯条带能带的解析表达式与光跃迁选择定则，提出一种不依赖于群论的磷烯晶体学理论表征方法，发现一种新晶向，沿该晶向裁剪的条带也具有边缘态，并预言反铁磁ZPNR对垂直电场的响应具奇偶特性。这些解析研究的成果有助于深刻理解半狄拉克体系的电子态和实验上表征该体系，确定其能带参数，为设计新型光电器件提供物理支持。