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通过增大狄拉克半金属约瑟夫森结的几何尺寸将电子输运维数降到拓扑铰链态
近日,南方科技大学量子科学与工程研究院院长、中国科学院院士俞大鹏团队与北京大学、荷兰特文特大学等合作,在狄拉克半金属-超导体异质结量子调控方面取得研究新进展,相关成果以《通过增大狄拉克半金属约瑟夫森结的几何尺寸将电子输运维数降到拓扑铰链态》(“Reducing Electronic Transport Dimension to Topological Hinge States by Increasing Geometry Size of Dirac Semimetal Josephson Junctions”)为题发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。研究团队利用体态、表面态和棱态具有不同超导相干长度的性质特点,通过增长沟道长度,逐步实现从体态到表面态、再到棱态的超导电流的传导。
南方科技大学 2021-04-11
纳米光子学材料
一种全新的光热转换全介质材料(all-dielectric materials)即碲(Te)纳米颗粒,它不仅可以实现全太阳光谱吸收而且具有极高的光热转换效率。他们采用自己发展的液相激光熔蚀(laser ablation in liquids, LAL)技术制备出多晶碲纳米颗粒,粒径分布范围10到300纳米,并且发现由碲纳米颗粒自组装形成的吸收层具有强烈的宽谱吸收属性,在整个太阳光谱范围内的吸收率超过85%(紫外区接近100%)。在太阳光照射下,该吸收层的温度从29°C上升到85°C只需要100秒的时间。此外,通过将所制备碲纳米颗粒均匀分散到水中,在太阳光照射下水的蒸发速率提升了3倍,这种表现超越了所有已经报道的用于太阳能光热转换水蒸发的纳米光子学材料,包括等离激元(plasmonic)和全介质材料。
中山大学 2021-04-13
硅光子平台开发
已有样品/n成功开发了系列硅光子流片工艺模块和初版PDK,其中标准单元库主要包括单模波导、Y-分支、光交叉器、耦合光栅等无源器件,而最近有源工艺的成功开发,将向标准单元库中添加加热电极、调制器和Ge 光电探测器等有源器件。此次有源器件流片的成功,加上先导中心2016年上半年开发成功的硅光子无源工艺及器件(图3),使微电子所硅光子平台已具有为业界提供基于180nm工艺的硅光子流片服务的能力,成为国内首个基于8英寸CMOS工艺线向用户
中国科学院大学 2021-01-12
拓扑体态激光器
近日,北京大学物理学院马仁敏研究员课题组实验发现了拓扑能带反转光场限制效应,将拓扑态的利用由拓扑边缘态扩展至拓扑体态,并基于此实现了一种高性能的拓扑体态激光器。这种新型激光器具有垂直出射、高方向性、小体积、低阈值、窄线宽、单横模、单纵模和高边模抑制比等优异特性。相关工作被《Nature Nanotechnology》杂志以标题 “A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection” 进行长文报道。 激光器的发明加深了人们对光与物质相互作用的认识,并对现代科学与技术的发展起到了巨大的推动作用。至激光器发明以来,激光微型化始终是一个重要的研究方向。半导体激光器因为易于电泵浦和规模生产与集成等优点,是激光微型化的首要选择。经过几十年的发展,半导体激光器的微型化已经取得了巨大的成就。尤其是具有垂直出射特性的垂直腔面发射激光器(VCSEL),目前已有数以百亿计的该型激光器被广泛应用于数据通讯、激光雷达、人脸识别、数据存储与医疗手术等领域。图1:拓扑体态激光器原理和示意图。(a) 用于构造能带反转的拓扑态和拓扑平庸态光子晶体示意图。(b) 实验中发现能带反转可用来实现光场的反射和限制。(c) 垂直发射拓扑体态激光器示意图。拓扑体态激光器出射方向垂直于光学腔反馈平面。 马仁敏研究员与合作者提出并实现了一种新型垂直发射激光器—拓扑体态激光器。这种新型激光器直径只有数微米,具有良好的垂直发射方向性, 窄线宽,单横模、单纵模,能够在室温下以千瓦每平方厘米阈值稳定工作,单模输出边模抑制比超过36 dB。这些性能与商业化激光二极管相当,根据IEEE以及相关工业标准,指标满足多数应用领域需求。 该类激光器的实现有赖于实验中发现的一种新型光反射和限制机制:能带反转光场限制效应。图1给出了能带反转光场限制效应和基于其实现拓扑体态激光器的原理和示意图:实验中首先通过对二维光子晶体进行变形操作,分别获得了具有拓扑态和拓扑平庸态的能带结构;相较于拓扑平庸态,拓扑态的光子晶体能带结构中发生偶极子和四极子能带间的能量反转;实验和理论计算发现频率靠近能带边缘的光场虽然在拓扑态和拓扑平庸态中都可以自由传播,但是在两者的界面处会发生能带反转引起的光场发射;该能带反转引起的光场反射和限制效应仅发生在布里渊区中心附近,越靠近布里渊区中心,光场反射和限制越有效,使得利用该类型反射机制构建的拓扑体态激光器具有单横模、单纵模、面内反馈、垂直出射等优异特性。图2:拓扑体态激光器件与性能。(a-b) 拓扑体态激光器谐振腔(a)和拓扑界面处(b)的电镜图。(c)随功率变化的光谱。(d)激射光谱。(e)激射实空间近场分布。(f)激射角分辨远场分布。 能带反转光场反射和限制效应为激光物理提供了一种新颖的激光模式选择和出射光场调控机制。基于该原理构建的新型拓扑激光器各项性能均达到了可商业化应用的水平(图2)。新的光场反射和限制机制将拓扑态的利用由拓扑边缘态扩展至拓扑体态,同时该原理可以拓展到电子学、声学和声子学等领域。 该工作发表于Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/s41565-019-0584-x),马仁敏研究员为论文通讯作者;北京大学博士后邵增凯、博士生陈华洲和王所为共同第一作者;其他作者包括北京大学博士生冒芯蕊、杨振乾、访问学生王少雷,以及日本国立材料研究所教授胡晓,学生王星翔。这项工作得到国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心等的支持。
北京大学 2021-04-11
拓扑超导体研究
实验的纳米线中的自旋轨道耦合不是均匀的。在纳米线结构中电极和超导体的电场以及屏蔽效应都会调制自旋轨道耦合的大小,造成空间不均匀。最简单的模型可以假设纳米线分成自旋耦合大小不同的两段。这个假设立刻能给出衰减的Majorana振荡。其衰减机制是:随着磁场的增大,两段纳米线之间的耦合增强导致二者能谱之间的相互排斥增强,使得能量较低的能谱在振荡的同时变得更低。通过更仔细的参数调节,在不同长度纳米线中观测到的各种形状的衰减都可以被拟合,更加确定了不均匀自旋轨道耦合在纳米线中的存在。此外,这个理论发现,存在不均匀自旋轨道耦合的时候,纳米线中的另一种拓扑束缚态Andreev束缚态也会产生衰减振荡。最新的实验也支持了非均匀自旋轨道耦合是纳米线中不可忽视的因素。
南方科技大学 2021-04-13
磁性拓扑绝缘体
课题组使用一种名为角分辨光电子能谱的强大表面物理实验工具研究了反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4。理论预测和此前的实验表明,这种最近合成的材料是第一个理想的反铁磁拓扑绝缘体,其天然解理面应该是绝缘的。但是,课题组通过研究数据表明,它的表面能带形成了一个完整的X形——这证明该表面以不寻常的,拓扑保护的方式导电。这个数据推翻了此前的实验结论,使磁性拓扑体系的研究迈入一个新的阶段。课题组指出,这种奇异的行为可能是由于表面磁性或结构重构引起的。文中的第一性原
南方科技大学 2021-04-14
氮化镓界面态起源
已有样品/n基于超低温的恒定电容深能级瞬态傅里叶谱表征了LPCVD-SiNx/GaN界面态,在70K低温下探测到近导带能级ELP (EC - ET = 60 meV)具有1.5 × 10-20 cm-2的极小捕获界面。在国际上第一次通过高分辨透射电镜在LPCVD-SiNx/GaN界面发现晶化的Si2N2O分量,并基于Si2N2O/GaN界面模型的第一性原理分析,证明了近导带界面态主要来源于镓悬挂键与其临近原子的强相互作用。由于晶化的Si2N2O
中国科学院大学 2021-01-12
关于自旋超流基态的研究
研究小组首先利用激光分子束外延技术生长了具有原子级别平整度的反铁磁Cr2O3薄膜,是电荷的绝缘体。采用非局域自旋输运的技术,用热方法在铂电极和Cr2O3薄膜界面注入自旋流、产生自旋压,在另外一个铂电极处利用铂的自旋霍尔效应测量自旋流的输运(图A)。实验数据显示在低温下自旋输信号出现饱和现象,对应着自旋导的饱和,也就是零自旋阻效应;即自旋超流基态的最重要基本性质之一(图B)。在此基础上,该研究小组又系统研究了不同自旋输运距离下自旋超流的输运现象,证明了自旋在该自旋超流基态可以进行长距离的输运,并且其随输运距离的关系与自旋超流态输运理论预言一致(图C)。该工作是是自旋超导态领域研究的一项重大突破,势必推动自旋超导态的快速发展,为研究基于自旋玻色子的玻色爱因斯坦凝聚的基础物理研究提供了实验平台,并为新型量子自旋器件,如自旋流约瑟夫森结等,奠定了实验基础。图:自旋超流基态的重要实验证据。(A)非局域自旋输运测量示意图。用热方法在左边铂电极和Cr2O3薄膜界面注入自旋流,在右边铂电极处利用铂的自旋霍尔效应测量自旋流的输运。(B)自低温下自旋输信号出现饱和现象,反映出自旋超流基态的零自旋阻效应。(C)自旋信号随其随输运距离的关系与自旋超流态输运理论预言一致。
北京大学 2021-04-11
光子晶体液相芯片
液相芯片在多元生物分析中具有重要应用,而与该技术相关的知识产权都被国外的公司垄断,因此我国有必要开发原创性的液相芯片技术。本课题组即以此为目标,进行具有自主知识产权的“光子晶体编码液相芯片技术”研究和开发。在该研究领域,我们对微流控乳化技术及纳米粒子有序组装进行了系统的研究,确立了光子晶体编码微球的制备方法;提出了微载体解码及检测的图像分析方法,构建了用于光子晶体微球液相芯片技术的检测平台;开发了肿瘤等疾病的诊断试剂盒,证明了光子晶体液相芯片技术的应用能力。
东南大学 2021-04-10
新型能谷光子晶体
一种新型能谷光子晶体。利用其内禀的能谷自由度,在不依赖自旋轨道耦合效应前提下,实现了能谷附近的能带劈裂,从而提出了类比电子能谷霍尔效应的光学赝自旋-路径关联传输,即光子能谷霍尔效应。通过分析该普通光子晶体内的手征量,实现了赝自旋能流的单向传输。更为有趣的是,文章还在单一体系中,对能谷和拓扑两个自由度进行独立调控,实现了全新的拓扑光子界面态。研究表明,实现有效的拓扑光场调控,将有利于更多基本量子物理问题的实验证实;同时,也为下一代光信息传输和处理,尤其是在光自旋和轨道角动量运用等方面,带来了新的有益启示。
中山大学 2021-04-13
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