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近日,西湖大学理学院物理讲席教授吴从军与合作者Texas A&M大学徐盛隆助理研究教授在《量子前沿》发表了题为“Orbital-active Dirac materials from the symmetry principle”的研究论文。
Quantum Frontiers《量子前沿》期刊由上海交通大学物理与天文学院和李政道研究所联合主办。期刊专注于凝聚态物理学与量子科技之间的交界面,聚焦量子科技领域中的原创性研究和重要突破,着重发表在交界面附近的优秀研究成果。
研究背景:
电子除了电荷、自旋之外,还存在着轨道自由度。轨道和其他自由度之间的相互作用是凝聚态物理的核心内容,也是关联拓扑物态的研究要素。本文研究的是具有轨道活性(轨道简并)的蜂窝晶格体系,和单层石墨烯有根本的不同。石墨烯的每个碳原子只有一个活跃的pz的轨道,不具有轨道活性。本文在作者之一的以往工作基础上(以Phys. Rev. Lett. 99, 70401 (2007) 和Phys. Rev. Lett. 101, 186807 (2008) 为代表), 将其推广到各类轨道,并建立统一理解此类体系中拓扑和关联物理的基本框架。
研究亮点:
此项工作的出发点是对称性原理,超越了具体的材料,从而有很大的普适性。它适用于以铋烯、锡烯、光晶格为代表的(px,py)轨道系统,以过渡金属化合物为代表的(dxz,dyz)轨道系统、(dx2-y2, dxy)轨道系统、以及Eg轨道系统,也适用于有相应对称性的分子团簇轨道系统。这些系统表现出和单层石墨烯非常不同的能带结构以及拓扑性质,可以在相同的对称性框架下获得统一的处理。
研究进展:
西湖大学理学院物理系吴从军教授和Texas A&M大学徐盛隆助理研究教授研究轨道活性的蜂窝晶格系统,其中简并的轨道构成了格点对称群(D3或与其等价的C3v)的非平庸表示。不同的材料可以有不同的轨道实现,但是都体现出类似而奇妙的能带结构,包括平带和狄拉克带,以及它们之间的平方接触。这些都可以被相同的对称性所统一。
在平带(窄带)体系中,电子的动能被压制,其关联效应被放大,表现出典型的强关联物理性质,包括Wigner晶格、轨道序、平带铁磁等。系统中的Dirac能带波函数,具有丰富的轨道结构,提供了一个不同于sp能带反转的拓扑能隙生成新机制。这可以为新型量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应材料的设计提供引导。
图文导读:
Dirac点和Γ点处,在计入自旋轨道耦合后,拓扑能隙被打开。图中所示为自旋向上的电子在布里渊区内高对称点(Γ,K)上的轨道位形。它们都是原子轨道角动量的本征态,这使得固体的拓扑能隙等价于原子内部的能级差,也就是原子内的自旋轨道耦合强度。
论文信息
Orbital-active Dirac materials from the symmetry principle
Shenglong Xu & Congjun Wu*
Quantum Frontiers 1, 24 (2022)
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