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王一飞博士、龚昌德院士研究成果在《Physical Review Letters》发表
发布时间: 2016-04-05 浏览次数: 362

最近,我校海峡两岸统计物理与凝聚态理论研究中心的王一飞博士、龚昌德院士与美国加州州立大学北岭分校的盛冬宁教授、加州大学圣巴巴拉分校Kavli理论物理研究所的顾正澄博士合作,在美国《物理评论快报》(Physical Review Letters)发表题为“拓扑平坦能带上硬核玻色子的分数量子霍尔效应”(Fractional Quantum Hall Effect of Hard-Core Bosons in Topological Flat Bands)的重要研究论文[Phys. Rev. Lett. 107, 146803 (2011)]。

  量子霍尔效应是凝聚态物理中的重要领域之一。1980年整数量子霍尔效应实验、1982年分数量子霍尔效应实验以及1983年分数量子霍尔效应理论都获得过物理学诺贝尔奖。时至今日,量子霍尔效应尤其是考虑强关联效应的分数量子霍尔效应,依然是凝聚态物理最前沿、最热门的研究领域之一。迄今为止,只有在强磁场下的连续型二维电子气中观测到该效应。1983年R.B.Laughlin提出的波函数被认为是对这类Landau能级上连续型分数量子霍尔效应的最好理论描述。1988年,凝聚态物理领域领军人物F.D.M.Haldane提出了一个晶格模型。Haldane模型中的能带具有拓扑性质,能带被电子整数填充后,得到晶格型的、无Landau能级的整数量子霍尔效应。但由于Haldane模型中的能谱的高度色散,引入电子强相互作用并使电子分数填充能带后,并没有相应的分数量子霍尔效应。

  王一飞等人的工作首次研究了拓扑平坦能带上强关联相互作用的玻色子体系,并发现了一种新奇的晶格型的分数量子霍尔效应。该效应不同于传统Landau能级上的连续型分数量子霍尔效应,无须均匀强磁场,有较大特征能隙,可在较高温度下存在,不能用常规Laughlin波函数描述。基于对著名的Haldane模型的扩展,论文提出一个典型的拓扑平坦能带模型。在拓扑平坦能带模型中,王一飞等人考虑短程相互作用的硬核玻色子体系,通过大量数值计算和系统理论分析,发现了晶格型分数量子霍尔效应的有力证据。在环面形结构上,该分数量子霍尔态有偶数个准简并的基态。这些基态与高能激发态之间有较大的能隙。同时论文给出了拓扑平坦能带上半满填充的量子相图,以及阐明了从分数量子霍尔态到其他对称破缺相的量子相变。该玻色子体系晶格型的分数量子霍尔效应,不同于常规电子的费米子体系,可以看作等效自旋模型中的手征性自旋态。该手征性自旋态的概念于1987、1989年分别被Laughlin、MIT的文小刚等人提出,但是长期以来没有现实的模型来实现。而本次发表的研究论文从另一方面给出该手征性自旋态存在于拓扑平坦能带模型中的数值证据。

  据了解,该项研究工作是国际上该领域最早的两个系统研究工作之一(另一工作为该类体系中的费米子分数量子霍尔效应),给出了令人信服的数值证据。王一飞今年3月中旬在Dallas参加美国物理学会2011年会March Meeting,并做了有关该工作的口头报告。3月初,论文作者在著名预印本网站arXiv.org公开的论文最初版本[arXiv:1103.1686]后,受到美国、欧洲多个著名大学、研究机构的广泛关注和好评。

  《物理评论快报》由美国物理学会出版,综合报道世界各研究小组最新、且对整个科学研究领域有广泛影响的重要物理研究成果,是物理领域公认最具权威性的学术杂志之一。本次研究工作得到国家自然科学基金的资助,我校为该论文的第一单位与通讯单位。

王一飞,1979年生,博士、副研究员、硕士生导师、校特聘教授。2001年获南京大学理学学士学位,2006年获南京大学理学博士学位,2008年来我校海峡两岸统计物理与凝聚态理论研究中心、数理信息学院物理学科工作。先后到香港浸会大学、香港大学、香港中文大学、美国加州州立大学北岭分校学术访问。从事凝聚态物理理论研究,发表第一作者/通讯作者研究论文11篇,其中Physical Review Letters 3篇,Physical Review B 5篇,Europhysics Letters 1篇,J. Phys.: Condens. Matter 2篇。现主持国家自然科学基金一项。