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物理所等发现黑磷中的非平衡拓扑态

文章来源:物理研究所    发布时间:2018-07-06  【字号:      】

  近年来,由于奇特的电子和光电特性,范德瓦尔斯层状量子材料受到人们极大的关注,黑磷是其中的典型代表。它具有依赖层数的能隙,且易于用电场调控,被认为是未来光电器件的重点候选材料。

  在通常条件下黑磷是窄带隙半导体,然而在光照等非平衡条件下,黑磷性质可能发生巨大改变,但人们并不知晓。为了研究光照等非平衡条件下量子材料的非平衡电子结构,需要发展非平衡条件下的第一性原理计算方法。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF10组博士生刘行在研究员孟胜、副研究员孙家涛指导下,与美国犹他大学教授刘锋合作,发展了把Floquet定理分析和第一性原理动力学计算相结合的新方法,在国际上首次实现了层状黑磷在周期性光场驱动下的非平衡态电子结构的研究。

  刘行等发现在圆偏振光场驱动下,黑磷的电子态受光场调制而发生改变,其结果依赖于光场的入射方向、强度、手性等参数。在拉伸黑磷中,他们预言了光子修饰的Floquet拓扑绝缘体态、Floquet狄拉克半金属态等非平衡电子态。更重要的是,周期性光场不仅可以产生第一类和第二类的狄拉克锥,并且可以实现二者之间的拓扑相变,从而实现第三类的狄拉克锥,即第一类和第二类狄拉克锥之间的过渡状态。

  光场驱动的电子结构变化源于光学斯塔克效应。他们进一步发现,表面态的输运方向与圆偏光的手性相互锁定,从而实现光学手段对非平衡拓扑输运的调控。这个工作将黑磷性质研究推广到了非平衡态,对于深入理解量子材料的非平衡态电子结构,以及开拓新颖光电子器件具有重要意义。同时,发展的新理论方法可用于研究其它量子材料的非平衡电子态,将大大拓宽新型拓扑电子态研究。

  论文发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 120,237403)上。该研究受到科技部(2016YFA0202300, 2016YFA0300902, 2015CB921001, 2013CBA01600)、中科院先导项目(XDB07030100)和美国能源局(DE-FG02-04ER46148)的资助。第一性原理研究所需的大规模并行计算在天津国家超算中心天河1号平台上完成。

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图1. 圆偏光辐射下的黑磷结构示意图,及其Floquet电子态的变化。

图2. 圆偏光调控的非平衡电子态及其Lifshitz相变。

图3. 圆偏光的入射光子能量、入射光强度、手性、入射角度等参量对于Floquet狄拉克电子态的影响。

图4. 黑磷中非平衡电子态变化的物理机制来源于光学斯塔克效应。

图5. 入射光手性与边缘态电子输运速度是锁定的,有利于设计新型光控拓扑器件。




(责任编辑:叶瑞优)

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