南京大学温锦生与李建新联合团队首次在真实材

作者: 产品评测  发布:2019-12-01

超导量子计算和模拟是目前国际前沿热点,也是发达国家和国际大公司激烈竞争的领域。我校于扬教授课题组通过不断努力,近期在量子芯片的加工、量子比特的控制和测量、实验方法等方面都取得突出进展。最近他们和朱诗亮教授课题组理论和实验紧密结合,在超导量子模拟方面取得重要成果,利用超导量子比特模拟了新型拓扑麦克斯韦金属能带结构。

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近日,南京大学物理学院温锦生教授、李建新教授、万贤刚教授以及于顺利副教授等人通力合作,利用中子散射结合理论模拟对三维反铁磁体Cu3TeO6进行研究,首次在真实材料体系中观测到了三维拓扑磁振子激发。该研究成果以“Discovery of coexisting Dirac and triply degenerate magnons in a three-dimensional antiferromagnet”为题,发表在《自然通讯》上[Nature Communications 9, 2591 ]。这是温锦生教授课题组近一年多来在量子磁性方面在国际权威期刊发表的第5篇文章,之前有4篇关于量子自旋液体的工作发表在《物理评论快报》上,其中有2篇也是与李建新教授课题组合作完成的。

图1:课题组设计加工的多比特量子芯片。

将“拓扑”这一数学概念引入物理学后,一方面推动了基础物理学研究的发展,另外一方面也促使了大量新颖拓扑量子材料的出现,例如石墨烯、拓扑绝缘体、三维狄拉克半金属以及外尔半金属等,大大地丰富了材料科学,为低耗散、更稳定的下一代电子器件的发展奠定了材料基础。这些材料中具有拓扑属性的准粒子是满足费米统计的电子,即费米子。这些费米子的能带具有拓扑性质,其两条线性交叉的色散可以用狄拉克或外尔方程进行描述,分别对应着狄拉克或外尔费米子。除此之外,还可能存在超越狄拉克-外尔框架的新的费米子,如三重简并费米子。与狄拉克或外尔费米子不同的是,三重简并费米子具有二条线性能带和一条平带交叉的能带结构。

自然界基本粒子的分类是由庞加莱对称性决定。按照量子场论,波色子具有0或整数自旋,费米子具有半整数自旋。近来有理论提出在一些人工量子系统中可以跳出庞加莱对称性的约束,激发的准粒子可以是具有整数自旋的费米子,但至今缺乏实验的直接证据。

实际上,根据拓扑能带理论,能带结构的拓扑属性不依赖于体系中准粒子的统计属性。这意味着除了拓扑费米子之外,拓扑玻色子也应当存在。到目前为止,拓扑玻色子在光子晶体、声子晶体等人造材料中被广泛实现,然而却很少在真实材料中被发现。磁振子作为自旋波量子——磁有序材料磁激发的准粒子,拥有玻色子的属性。虽然也有大量的理论工作提出了各种磁振子拓扑态,实验上一直鲜有报道,特别是在三维体系中,还未有拓扑磁振子态被发现。在拓扑磁振子系统中,非零的贝利曲率会导致电中性的磁振子具有反常热霍尔效应,并且非平庸的能带结构会使体系出现受拓扑保护的表面态,这些性质使得拓扑磁振子材料在发展高效率、低耗散的新型电子自旋器件上具有十分重要的应用前景。因此,在实验上找到这样的材料具有重要意义。

最近朱诗亮小组提出一个具有三重简并的新拓扑金属能带结构,称为麦克斯韦金属[Y.-Q. Zhu et al., Phys. Rev. A 96,033634 ]。该能带结构如图2所示,它具有3带结构,特别是具有3重简并。在该3重简并点的色散关系为线性的,因此相应的准粒子激发可以是自旋为1的相对性费米子,可以证明要用麦克斯韦方程描述,因此被称为麦克斯韦费米子。该3重简并点也因此被称为麦克斯韦点。由于中间平带的存在,当费米能在麦克斯韦点附近时,体系是金属特性。和通常的狄拉克点和外尔点不同,麦克斯韦点具有非平庸的拓扑陈数2,并且体系具有两条费米弧。随着系统参数的变化,麦克斯韦金属发生拓扑相变,麦克斯韦点可以湮灭,变化到平庸的绝缘体。

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图1. a, Cu3TeO6的晶体及磁结构。为简洁起见,图中只标注了Cu原子。箭头为自旋示意图。b, 倒空间中的第一布里渊区以及各主要高对称点。c和d,中子散射实验所得到的分别沿着动量空间[001]和[111]方向的磁激发谱。c和d中的白线为理论计算的结果。虚线为b图所示的在动量空间中的位置。

图2: 拓扑麦克斯韦金属的能带结构、相图和拓扑性质

北京大学李源与中科院物理所方辰课题组合作提出Cu3TeO6是一个狄拉克磁振子体系[金沙澳门官网dkk,PRL 119, 247202 ]。如图1a所示,该材料具有立方结构,是一个三维共线的反铁磁体,磁矩方向指向体对角线方向。温锦生与李建新联合团队生长了该材料的高质量、大尺寸单晶,采用中子散射这一能够在动量-能量空间直接探测材料磁激发的手段对这些单晶进行了研究,得到了完整、清晰的磁激发谱,部分结果如图1c、d所示。从磁激发谱上看,高对称点位置,例如图1c的H点以及Γ点,能带交点清晰可见。结合对称性分析,这些交点具有稳定的拓扑属性。

于扬小组通过控制微波频率、强度,对超导量子比特中的四个能级进行了高精度的操控。在此基础上模拟了麦克斯韦金属能带结构,实验模拟到的麦克斯韦金属能带结构见图3,和图2的理论结果高度一致。实验直接探测到了麦克斯韦点,并且在3重简并的麦克斯韦点附近具有线性色散关系的特点也很明显。另外,从理论上也能解释观测到的能谱明亮度的变化特点。特别重要的是,实验直接探测到了包含麦克斯韦点的拓扑不变量,实际测量到的陈数接近±2,这是国际上首次观测到陈数大于1的实验。探测陈数的实验时序、实测的贝里曲率和陈数见图4。其中,实测的陈数在中间区域为±2。从图中也可看出,当改变体系的控制参数从-3到3 时,陈数经历了从0到±2,再到0的变化过程。从而直接验证了参数变化时体系可以实现从拓扑金属到平庸绝缘体的拓扑相变。

为了进一步确认研究团队前期结论,该团队基于线性自旋波理论,采用一个以最近邻磁相互作用J1为主要项的模型进行了计算,很好地描述了实验观测到的磁激发谱。理论计算所得到的能带如图1c,d白线所示。分析表明,图1d中,在动量空间P点的不同能量位置存在三个狄拉克点,靠近这些狄拉克点的线性磁振子激发可以用狄拉克方程描述,因此这些准粒子为狄拉克磁振子。该结果跟早前的理论预言吻合得很好[PRL 119, 247202 ]。

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除了观察到理论所预言的狄拉克磁振子以外,该团队还发现了超越狄拉克-外尔方程的新型玻色子——三重简并磁振子。如图1c和d中的H和H’点,每个点都分别在两个能量出现三重简并点。Γ点同时存在一个狄拉克点以及一个三重简并点,但是在能量上比较接近,实验上难以分辨。这些高对称点上的能带交点,不依赖于理论模型,受到材料本身的对称性保护。我们的理论计算表明,在每一个三重简并点附近,磁振子能带由两条线性色散能带和一条平带交叉组成,因此,这些磁振子为三分量的磁振子,不同于狄拉克或外尔磁振子。

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