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物理学报 2024年第7期73卷 1-7页

作者：顾昭龙李建新南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室南京210093 南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心南京210093

朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论是传统凝聚态物理两座重要的基石,在处理BCS超导体和液氦超流体的形成机制等重要物理问题中取得了巨大成功.然而,以20世纪80年代量子霍尔效应和高温超导的发现为开端,人们逐渐认识到,对于一大类... 详细信息

朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论是传统凝聚态物理两座重要的基石,在处理BCS超导体和液氦超流体的形成机制等重要物理问题中取得了巨大成功.然而,以20世纪80年代量子霍尔效应和高温超导的发现为开端,人们逐渐认识到,对于一大类新的量子态,比如分数量子霍尔态和量子自旋液体,其性质超越了朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论.拓扑序及其所具有的长程多体量子纠缠和分数化激发成为我们理解这些奇异量子态的关键概念.在量子材料和量子模拟系统中设计并寻找具有拓扑序的物态、探测并操控其分数化激发是当代凝聚态物理重要的研究方向.近期,在里德伯原子体系、超导量子处理器和二维摩尔超晶格等具有高度可调控性的量子实验平台中,拓扑序的量子模拟和操控得到了快速发展并取得了重要成果.本文将简要论述拓扑序在传统凝聚态材料体系和量子模拟体系中最近的研究进展和挑战,并对该领域未来可能的发展方向做出展望.

关键词：拓扑序长程多体量子纠缠分数化激发

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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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拓扑半金属表面态的输运特性

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科学通报 2024年第1期69卷 68-79页

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

拓扑电子体系是近年来凝聚态物理学的研究前沿,它以非平庸的体态拓扑以及奇异的表面态为主要特征.输运测量是研究拓扑电子体系最常用和最有效的手段之一,输运研究与新奇物理效应的探索以及电子器件相关应用都有密切的联系.基于拓扑绝缘... 详细信息

拓扑电子体系是近年来凝聚态物理学的研究前沿,它以非平庸的体态拓扑以及奇异的表面态为主要特征.输运测量是研究拓扑电子体系最常用和最有效的手段之一,输运研究与新奇物理效应的探索以及电子器件相关应用都有密切的联系.基于拓扑绝缘体的输运研究已经广泛地开展,其中的输运信号仅由拓扑表面态贡献;而拓扑半金属中体态和表面态共存,这在给输运研究带来复杂性的同时,也预示着更为丰富的物理现象有望被发现.大多数针对拓扑半金属输运性质的研究集中于其体态,而其表面态的贡献通常被认为小到可以忽略.需要指出,通过巧妙构筑输运器件结构,表面态可以贡献很强的输运信号并导致新奇而丰富的输运性质.本文介绍了若干典型拓扑半金属体系中表面态导致的新奇输运性质,包括拓扑节线半金属中鼓面表面态导致的共振自旋翻转反射及其输运信号,外尔半金属中费米弧表面态的奇异安德烈夫反射、法布里-珀罗干涉和门电压调控的栗弗席兹相变,以及这些效应对外场的奇特响应.本文介绍的研究成果为拓扑半金属表面态的探测与调控提供了新的思路.

关键词：节线半金属外尔半金属表面态费米弧量子输运

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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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拓扑绝缘体中量子霍尔效应的研究进展

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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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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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光量子态的空域调控(特邀)

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光学学报 2024年第10期44卷 151-170页

作者：刘志峰黄双印陈超任志成汪喜林王慧田南京大学固体微结构物理国家重点实验室南京大学物理学院江苏南京210093 人工微结构科学与技术协同创新中心江苏南京210093

从单光子的线性空域调控出发,依次阐述单光子空域编码与转换、双光子纠缠态的制备与测量、多光子的高维空域纠缠态的制备及其在量子信息中的应用。主要围绕多自由度操控和高维量子信息转换,从制备、编码、测量和应用等方面概述空域光量... 详细信息

从单光子的线性空域调控出发,依次阐述单光子空域编码与转换、双光子纠缠态的制备与测量、多光子的高维空域纠缠态的制备及其在量子信息中的应用。主要围绕多自由度操控和高维量子信息转换,从制备、编码、测量和应用等方面概述空域光量子态的研究进展。同时探讨了一些关键问题的可能解决方案。

关键词：量子光学量子信息量子纠缠高维量子纠缠多自由度纠缠

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基于超构表面光谱编码的红外宽谱微型光谱仪

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光学学报 2025年第5期45卷 250-257页

作者：万源庆刘威骏余浩祥王漱明南京大学固体微结构物理国家重点实验室江苏南京210093 南京大学物理学院江苏南京210093 南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心江苏南京210093

为了解决传统红外光谱仪体积大,而微型红外光谱仪因受体积限制光谱范围普遍较窄的问题,提出一种基于超构表面的红外宽谱微型光谱仪。根据光谱编码的原理,针对1~10μm波段设计了透过率较高的偏振不敏感的通道结构,这些结构的光谱透过率... 详细信息

为了解决传统红外光谱仪体积大,而微型红外光谱仪因受体积限制光谱范围普遍较窄的问题,提出一种基于超构表面的红外宽谱微型光谱仪。根据光谱编码的原理,针对1~10μm波段设计了透过率较高的偏振不敏感的通道结构,这些结构的光谱透过率曲线相关性较低,利用深度学习方法重建光谱,对于较为光滑的光谱曲线,其重建准确率在90%以上,作为光谱重建研究的补充,重建了包含较窄单峰的光谱曲线。研究结果表明,所设计光谱仪对光的利用效率较高、结构紧凑且易于集成,在红外宽带光谱探测方面具有良好的应用场景。

关键词：超构表面光谱编码红外光谱光谱仪

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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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拓扑选择性非厄密趋肤效应

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物理学报 2025年

作者：杨星刘梦蛟侯佳浩李添悦王漱明南京大学物理学院固体微结构国家重点实验室南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心

拓扑边界态因在带隙中的鲁棒性和无损耗的传输特性备受关注，但在复杂系统中实现其稳定激发仍是一个挑战。本文提出了一种利用亚对称性保护的边界态与长程非互易耦合系数，实现具有拓扑选择性的非厄密趋肤效应(Non-Hermitian Skin Effec... 详细信息

拓扑边界态因在带隙中的鲁棒性和无损耗的传输特性备受关注，但在复杂系统中实现其稳定激发仍是一个挑战。本文提出了一种利用亚对称性保护的边界态与长程非互易耦合系数，实现具有拓扑选择性的非厄密趋肤效应(Non-Hermitian Skin Effect, NHSE)的方法。该方法能够选择性地对平庸体态施加非厄密趋肤效应，同时保持拓扑边界态不受影响，从而实现拓扑模式与体态模式在空间上的有效分离，并在能带密集的系统中实现鲁棒的边界态激发。此外，我们将该模型扩展到二维体系，实现了角态与体态模式的有效分离。我们通过紧束缚模型进行理论预测，分析了该模型中非厄密效应对能谱和趋肤性质的调控机制，并利用有限元仿真在光学耦合环中验证了这一机制的可行性，研究了非厄密趋肤效应的本征态特性，并实现了拓扑态的鲁棒激发。该机制将非厄密物理与拓扑光子学相结合，为提升光子系统中信号的稳定性提供了新的思路与方向。

关键词：拓扑光子学非厄密趋肤效应光学耦合环

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