格點模型中自旋軌道耦合誘導的新奇量子效應及其調控

《格點模型中自旋軌道耦合誘導的新奇量子效應及其調控》是依託浙江海洋大學，由王瑞擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：格點模型中自旋軌道耦合誘導的新奇量子效應及其調控
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王瑞
• 依託單位：浙江海洋大學

項目摘要

自旋軌道耦合將電子的自旋和運動軌道聯繫起來，使得人們可以通過對外電場 的調控來實現對自旋的控制。近年來，一些由自旋軌道耦合所導致的新奇物理效應如自旋霍爾效應、持續自旋流、二維和三維拓撲絕緣體、拓撲超導和拓撲超流等逐漸被人們所發現並成為研究熱點。最新研究證明，當對光晶格採取一定操作時，以往在格點模型中被人們忽略的次近鄰之間的實數形式的躍遷相互作用會有一個很大的變化範圍，利用不同雷射束的幫助，可以在冷原子系統中實現自旋軌道耦合相互作用，從而可以研究自旋軌道耦合對冷原子模型的影響。本項目主要研究在格點模型中次近鄰之間的實數形式的躍遷相互作用和虛數形式的內稟自旋軌道耦合對體系相變以及Majorana邊緣態的影響和調控。這些研究在理解量子力學基本概念和發現新的物理效應方面具有重要的基礎科學意義，有助於我們更好的實現對自旋及電子的操控，為探測自旋在量子通信和量子信息等方面的套用提供理論依據。

結題摘要

本項目中，我們主要圍繞格點模型中自旋軌道耦合引發的拓撲量子相和量子相變展開研究。在正方光晶格中，我們研究了囚禁於其中的冷費米子氣體在自旋軌道耦合和次近鄰躍遷等作用下可以產生可控的拓撲量子相和量子相變。次近鄰躍遷的強度在最近的實驗和理論中被證明是一個實際可調的物理參數，在這一作用的影響下，系統能發生在拓撲阿貝爾相和非阿貝爾相之間的量子相變。在非中心對稱的冷費米子氣體中，自旋三重態的配對方式和Rashba自旋軌道耦合對系統的能隙沒有影響，但其能影響具有開邊界系統的邊緣態。一般情況下，當第一陳數（TKNN數）為零時，系統處於一個量子平庸相，開邊界情況下是沒有邊緣態存在的，但在非中心對稱的冷費米子系統中，自旋三重態能在被第一陳數為零所標識的普通相中引導出偶數個Majorana零模，這導致我們不能直接從零模的數量來判斷系統所處的量子相。在Lieb格子（正方邊心格子）中，Rashba自旋軌道耦合和內稟自旋軌道耦合以及交換場的共同做作用可以在該系統中引發時間反演對稱破卻的量子自旋霍爾效應以及反常量子霍爾效應，並能發生相應的拓撲量子相變，研究結果證明在描述量子自旋霍爾效應方面，自旋陳數比第一陳數有著更為廣泛的適用範圍，從自旋陳數出發也可以得到相應的第一陳數，這為計算第一陳數提供了一種全新的方法，研究結果也為利用磁場控制量子自旋霍爾效應提供了一個可能的模型和基礎。在矽烯模型中，我們研究了系統中受電場調控的體能隙和朗道能級，這有助於我們更好的理解矽烯中的量子自旋霍爾效應和反常霍爾效應等物理現象，並為利用電場來調控量子自旋霍爾效應等提供了一些理論支持和基礎。除此之外，我們還分別在非相對論和相對論環境下研究了粒子隧穿勢壘時的Fano效應，有質量的相對論Dirac 粒子通過一個振盪的量子勢壘時會發生來源於非局域的擴展態和連續態之間干涉的反常Fano 共振，而傳統意義上，我們認為反常Fano共振源自於局域束縛態和連續態之間干涉，這些結果有助於幫助人們實現更接近於實驗的自旋過濾器件。