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物理学报 2023年第17期72卷 41-51页

作者：张帅宋凤麒南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心南京210093

三维拓扑绝缘体因其独特的物性备受研究人员关注,而拓扑表面态的输运是探索其新奇物性的重要手段.其中,拓扑表面态的量子霍尔效应则是拓扑绝缘体输运研究的一个重要内容.本文简要回顾了拓扑绝缘体中量子霍尔效应的实现与发展.比较了拓... 详细信息

三维拓扑绝缘体因其独特的物性备受研究人员关注,而拓扑表面态的输运是探索其新奇物性的重要手段.其中,拓扑表面态的量子霍尔效应则是拓扑绝缘体输运研究的一个重要内容.本文简要回顾了拓扑绝缘体中量子霍尔效应的实现与发展.比较了拓扑表面态量子霍尔效应与其他体系的差别,讨论了其材料体系的发展,并介绍了其中的标度律行为.之后详细回顾了实验上对拓扑表面态量子霍尔效应磁性近邻与栅压调控等方面的研究.最后,展望了拓扑绝缘体中量子霍尔态的研究前景,希望能促进拓扑绝缘体的应用.

关键词：量子霍尔效应拓扑绝缘体狄拉克费米子

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基于超表面的热辐射调控与红外应用（特邀）

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光学学报 2024年第19期44卷 9-28+2页

作者：尚效合仲帆尚劲光张也肖彦玲祝世宁刘辉南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心东南大学物理学院量子材料与信息器件教育部重点实验室

近年来，具有亚波长尺寸与超薄厚度的二维超表面结构以其灵活可控的光学响应，成功打破传统热辐射调控研究的瓶颈。目前，基于各种设计的超表面结构已实现了在波长、偏振、方向、时间和相干性等多个自由度上的热辐射调控，并促进了红外... 详细信息

近年来，具有亚波长尺寸与超薄厚度的二维超表面结构以其灵活可控的光学响应，成功打破传统热辐射调控研究的瓶颈。目前，基于各种设计的超表面结构已实现了在波长、偏振、方向、时间和相干性等多个自由度上的热辐射调控，并促进了红外器件的小型化与集成化的发展。基于上述研究，回顾了近年来通过超表面调控热辐射的研究进展，并介绍了相应的红外应用发展，如红外传感、辐射制冷和热光伏器件等。

关键词：超表面超表面阵列热辐射调控红外应用

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自旋简并节线半金属中表面态诱导的自旋相关散射

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物理学报 2023年第17期72卷 96-103页

作者：刘力硕陈伟南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心南京210093

拓扑节线半金属指的是电子的导带和价带在倒空间相交于一维的环或者线,其体能带拓扑体现在节线携带π的贝里相位.根据体边对应原理,在系统边界存在色散较弱的表面态,由节线在表面布里渊区的投影所包围,称为鼓面态.大部分节线半金属中,自... 详细信息

拓扑节线半金属指的是电子的导带和价带在倒空间相交于一维的环或者线,其体能带拓扑体现在节线携带π的贝里相位.根据体边对应原理,在系统边界存在色散较弱的表面态,由节线在表面布里渊区的投影所包围,称为鼓面态.大部分节线半金属中,自旋-轨道耦合效应较弱,因此在单粒子图像下表面态不存在自旋构型.与此同时,鼓面态特有的弱散射也使得其中的电子间相互作用效应变得显著,并诱发铁磁失稳使得自旋简并的表面态发生自旋劈裂.本文考虑自旋简并的节线半金属中铁磁表面态导致的自旋相关散射,发现自旋劈裂的两个鼓面态均会导致共振的自旋翻转反射,该物理过程体现为自旋电导谱中的双峰结构.具体地,分别用散射矩阵和格林函数理论处理了普通金属和节线半金属异质结中表面态导致的散射问题,得到一致的结论.本文的工作指出了自旋简并节线半金属表面态依旧可以导致自旋相关输运,这为其输运探测和在自旋电子中的应用提供了新的思路.

关键词：节线半金属鼓面态自旋相关输运

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铌酸锂混合集成波导非线性太赫兹源

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光学学报 2024年第21期44卷 226-233页

作者：王能宇薛飞鸿马晓飞盛冲肖彦玲祝世宁刘辉南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心江苏南京210093

理论设计了光波-太赫兹波混合波导,构建了一种室温、连续、高效、集成化、低噪声、易于调制的相干太赫兹源。该混合波导由铌酸锂退火质子交换波导与金属超晶格波导混合集成,近红外通信波段的信号光和泵浦光在退火质子交换铌酸锂波导中传... 详细信息

理论设计了光波-太赫兹波混合波导,构建了一种室温、连续、高效、集成化、低噪声、易于调制的相干太赫兹源。该混合波导由铌酸锂退火质子交换波导与金属超晶格波导混合集成,近红外通信波段的信号光和泵浦光在退火质子交换铌酸锂波导中传播,通过非线性差频产生0.379 THz的太赫兹波,所产生的太赫兹波通过金属超晶格波导传输。通过优化金属超晶格太赫兹波导的结构参数,理论上实现了准相位匹配,提高了太赫兹波的群折射率,从而通过慢光效应进一步增强非线性效应,理论非线性转换效率可达3.6×10^(-7) W-1。同时,所设计的混合集成波导结构也可用于其他非线性光学器件中。

关键词：铌酸锂波导超材料差频太赫兹

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基于相对论自由电子的量子物理

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物理学报 2022年第23期71卷 14-36页

作者：李靖刘运全北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室北京100871

光和物质的相互作用是物理学中一个基本研究领域.电子是最早被发现组成物质的基本粒子,因此电子与光场(光子)的相互作用很早就引起人们的研究兴趣.电子分为束缚电子与自由电子.束缚电子系统的跃迁会受到能级固定、选择定则等约束,自由... 详细信息

光和物质的相互作用是物理学中一个基本研究领域.电子是最早被发现组成物质的基本粒子,因此电子与光场(光子)的相互作用很早就引起人们的研究兴趣.电子分为束缚电子与自由电子.束缚电子系统的跃迁会受到能级固定、选择定则等约束,自由电子则不然.近十多年来,随着超快电子显微镜技术的发展,人们提出并发展了用于描述量子自由电子(电子波包)和光场相互作用的理论—基于光子诱导近场电子显微成像过程,成功展示了许多新奇量子效应以及新应用.目前,人们把光子诱导近场电子显微拓展量子光学中并展示了许多新奇现象,包括自由电子和腔光子的纠缠、自由电子和自由电子的纠缠、自由电子量子比特、新奇光量子态制备等,从而开启了基于自由电子的“量子光学”时代.本文首先概述了电子与光子的相互作用研究,随后综述了光子诱导近场电子显微成像的理论、实验进展,介绍了其应用场景.最后,我们对基于自由电子的量子物理研究目前遇到的困难进行了总结,并对未来发展进行了展望.

关键词：光子诱导近场电子显微成像自由电子量子光学时间分辨成像

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等腰直角三角形光阱中的电子束手性衍射辐射

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物理学报 2022年第24期71卷 376-382页

作者：刘志鑫党郅博方哲宇北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室北京100871

电子束衍射辐射源具有体积小、波长可调和极化可控等优点,在纳米光子电路中显示出巨大的应用潜力.这里展示了等腰直角三角形光阱纳米结构中电子束衍射辐射的光学手性现象,可以获得手性度高于40%的衍射辐射信号,光学手性的状态能被有效调... 详细信息

电子束衍射辐射源具有体积小、波长可调和极化可控等优点,在纳米光子电路中显示出巨大的应用潜力.这里展示了等腰直角三角形光阱纳米结构中电子束衍射辐射的光学手性现象,可以获得手性度高于40%的衍射辐射信号,光学手性的状态能被有效调控,甚至可以实现手性的反转.通过详细分析体系中的真空电磁模式和电荷分布的动态变化,为这种手性光学效应的产生提供合理的理论解释.电子束激发源所具有的纳米尺度下聚焦和移动的优势使电子束衍射辐射的光学手性具有灵活的调节潜力.本文提出的物理机制和独特的实验平台对于未来二进制纳米光子电路和手性纳米光源的发展具有重要意义.

关键词：电子束衍射辐射光学手性光阱

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电场调控双层WSe_(2)转角同质结激子莫尔势

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物理学报 2022年第17期71卷 329-336页

作者：石蓓蓓陶广益戴宇琛何霄林峰张酣方哲宇北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室北京100871

二维过渡金属硫化物构成的范德瓦耳斯异质结由于存在晶格失配或层间相对旋转角度会产生周期性的莫尔条纹结构,由此引入的纳米尺度莫尔周期势可以影响激子的空间传输过程.目前有关双层过渡金属硫化物转角同质结中激子莫尔势调控的研究比... 详细信息

二维过渡金属硫化物构成的范德瓦耳斯异质结由于存在晶格失配或层间相对旋转角度会产生周期性的莫尔条纹结构,由此引入的纳米尺度莫尔周期势可以影响激子的空间传输过程.目前有关双层过渡金属硫化物转角同质结中激子莫尔势调控的研究比较有限,本工作利用第一性原理计算研究了外加垂直电场对不同旋转角度的双层WSe_(2)同质结激子莫尔势的影响,发现层间激子莫尔势的大小和势垒/势阱的位置与层间相对旋转角度及电场强度有关,不同旋转角度的双层WSe_(2)同质结激子莫尔势大小及势垒/势阱的位置随电场强度(1 V/nm)的变化不同.这些结果为调控层间激子的局域与非局域转变提供了理论依据和数据预测,在推动人工激子晶体及纳米阵列激光器等半导体器件的发展方面具有重要指导意义.

关键词：过渡金属硫化物转角同质结激子莫尔势第一性原理计算

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基于合成维度拓扑外尔点的波长选择热辐射超构表面

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物理学报 2024年第11期73卷 1-10页

作者：赖镇鑫张也仲帆王强肖彦玲祝世宁刘辉南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心南京210093 东南大学物理学院南京211189

黑体辐射通常具有覆盖整个红外波长范围的宽带光谱,导致红外波段的大部分能量不能有效利用,降低了辐射效率.近年来,具有二维亚波长人工纳米结构的超构表面因其在调节光学特性方面的灵活性而得到广泛研究,这为调控热辐射提供了一个理想... 详细信息

黑体辐射通常具有覆盖整个红外波长范围的宽带光谱,导致红外波段的大部分能量不能有效利用,降低了辐射效率.近年来,具有二维亚波长人工纳米结构的超构表面因其在调节光学特性方面的灵活性而得到广泛研究,这为调控热辐射提供了一个理想的平台.在超构表面中,采用合成维度方法为热辐射的精细调控开辟了新路径,尤其突显了超越传统三维体系的物理特性和丰富的拓扑物理.相比于在三维系统中探索物理现象,研究一维或二维系统更为可行和高效.合成维度的方法通过引入系统的结构或物理参数,为操控光子系统中的内在自由度提供了可能性.本文研究了利用合成维度方法实现波长选择热辐射.首先在超晶格模型中构建合成拓扑外尔点,通过角分辨热辐射谱(ARTES)对合成外尔锥进行实验表征,在实现了合理的波长选择热辐射的同时能够尽可能地抑制其他波长的辐射,对于实际的红外应用,如热光伏和热管理装置,是必不可少的.

关键词：热辐射超表面超晶格合成维度

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固体高次谐波产生、调控及应用

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物理学报 2022年第23期71卷 248-262页

作者：汪洋刘煜吴成印北京大学物理学院人工微结构与介观物理国家重点实验室

基于超快强激光与物质相互作用的高次谐波产生(high-order harmonic generation, HHG)提供了非微扰区光与物质相互作用的研究平台,同时也是台式化极紫外光源和阿秒脉冲的主要产生途径.非微扰区固体HHG涉及超快强场物理、凝聚态物理、材... 详细信息

基于超快强激光与物质相互作用的高次谐波产生(high-order harmonic generation, HHG)提供了非微扰区光与物质相互作用的研究平台,同时也是台式化极紫外光源和阿秒脉冲的主要产生途径.非微扰区固体HHG涉及超快强场物理、凝聚态物理、材料科学和信息科学等领域的核心内容,自2011年首次在实验中观察到以来,迅速成为强场物理和阿秒科学的研究前沿.本综述从一个实验工作者的角度,总结了固体HHG的研究进展和重要应用.首先通过对比高次谐波(high-order harmonic, HH)产率和截止能量对驱动激光参数的依赖关系,展示固体HHG与气体HHG截然不同的特性.重点介绍固体HHG调控和应用方面的进展,包括通过设计靶材结构或者激光光场实现对HH产率、偏振、时空分布等精密调控,以及固体HH谱学技术在材料结构表征和超快电子动力学研究等领域的应用.最后对固体HHG的未来发展进行了展望.

关键词：超快激光强场物理高次谐波产生

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基于微腔光梳的低噪声微波合成

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科学通报 2024年第12期69卷 1540-1551页

作者：金星肖莘宇杨起帆北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室北京100871 山西大学极端光学协同创新中心太原030006

光学频率梳(简称光频梳或光梳)能够实现光波和微波的直接连接,自其发明以来深刻影响了精密测量与激光技术的发展.传统光频梳基于固体或者光纤锁模激光器,而基于高品质因数光学微腔非线性四波混频效应产生的微腔光频梳是近年来实现的一... 详细信息

光学频率梳(简称光频梳或光梳)能够实现光波和微波的直接连接,自其发明以来深刻影响了精密测量与激光技术的发展.传统光频梳基于固体或者光纤锁模激光器,而基于高品质因数光学微腔非线性四波混频效应产生的微腔光频梳是近年来实现的一类新型光频梳.相比于传统光频梳,微腔光频梳具有尺寸小、功耗低、集成化程度高和重频范围大等优势.微腔光频梳可广泛应用于精密测量、微波光子学等领域,吸引了科学界和工业界越来越多的关注.在微波光子学领域,基于光梳合成的微波具有比直接电学合成的微波更优越的噪声性能,同时微腔光频梳集成化程度高的优势使得基于微腔光梳的低噪声微波合成成为研究热点.本文综述了基于微腔光梳合成低噪声微波的方法与现状,并对这一领域的未来发展方向进行了展望.

关键词：光频梳微腔光梳光孤子微波合成

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