【摘 要】
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新兴材料石墨烯具有优良的热学、电学和光学性质,其能带结构在低能区呈线性色散关系。石墨烯中的电子表现为零质量的狄拉克费米子,速度是光速的三百分之一,这是低能凝聚态领
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新兴材料石墨烯具有优良的热学、电学和光学性质,其能带结构在低能区呈线性色散关系。石墨烯中的电子表现为零质量的狄拉克费米子,速度是光速的三百分之一,这是低能凝聚态领域中满足高能相对论量子力学的特例。这些性质使得石墨烯拥有很多普通材料所不具备的量子效应,例如克莱因遂穿、半整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应等。在量子霍尔效应中,电子只能沿着边界输运,拥有特定的运动方向,且背散射被抑制,阻值为零,类似于超导现象。但是目前实验上可以实现量子霍尔效应的材料都需要强磁场和极低温两个条件,因而无法将其投入实际应用中。研究者也因此致力于寻找不需要如此苛刻的条件便可实现量子霍尔效应的材料,其中一类因无需磁场而得名为量子反常霍尔效应材料,破坏时间反演并且存在强自旋轨道耦合的石墨烯便是其中的一种。在外在Rashba自旋轨道耦合和交换场的共同作用下,石墨烯发生拓扑转变,能隙被打开,体系进入量子反常霍尔效应区,并拥有稳定的量子反常霍尔效应边缘态。在此基础上,构造一种和外界弱耦合的量子散射腔,在弱磁场作用下,量子反常霍尔边缘态会在石墨烯散射腔两端的连接处发生反射,并在两个反射态间产生干涉效应,干涉具有明显的周期性,周期和透过散射腔的磁通成反比,模拟计算的结果表明干涉现象由A-B效应引起。如果A、B格子具有不同的势能,空间反演对称性不再保持,体能隙将逐渐缩小直至最后关闭,此时将出现体态和边缘态共存的现象。考虑适当的杂质散射,体态将被局域,只剩下边缘态,我们称之为安德森拓扑绝缘体现象。在安德森拓扑绝缘区,尽管依旧会出现干涉现象,但是干涉效应不再具有明显的周期性。除此之外,实际材料中总是不可避免会混入杂质,计算结果表明干涉效应对杂质散射非常敏感,因此,通过观测量子干涉效应可以定性地判断体系是否存在真正的边缘态。本文将从背景知识,模型和公式以及模拟计算结果等方面对石墨烯量子反常霍尔效应体系中的量子干涉效应进行阐述。
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