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蒋建华教授团队在热电输运领域和光子拓扑材料方向取得系列重要进展

日期: 2017-10-20     阅读次数:51

近期,蒋建华教授课题组在热电输运领域和光子拓扑材料方向取得系列重要进展,以第一作者或通讯作者相继在Phys.Rev.Lett.115.040601(2015),Comptes Rendus Physique 17.10 1047-1059(2016)Phys. Rev. Appl. 7(6): 064001(2017), Opt.Express 24(16): 18059-18071(2016), Phys.Rev.B. 93(23): 235155(2016), npj Quantum Mater. 2:54(2017)等国际学术期刊上发表了相关研究成果

经济的快速发展亟需大量的能源,但是传统的能源因其存储量有限,使用同时又带来环境污染问题,不能满足现在的持续发展的需要。随着探索的深入,可再生能源如太阳能,水能,地热能等日益进入大众视野,而且发展应用迅速。该课题组所研究的方向,其重点就是提高能量转换效率,并且课题组和瑞士的同行通过不断的学习和创新较早研究了非弹性热电输运的物理和性质(Phys.Rev. B 85, 075412(2012); 87, 205420(2013)),提出了非弹性热电输运的几个经典的模型,澄清了其中的物理机制,并率先指出了非弹性热电效应的一系列优势。通过多方的实验合作,证实了可以利用多端输运、非线性、合作效应等方式提升和扩展热电效应的性能和应用价值(Phys.Rev. E 90, 042126(2014))。作为这一系列研究的副产品,课题组独立地发现了能量转换的普适性规律,推广了最大功产生原理(Jacobis law)。并且该研究还拓展了热电输运性质的介观涨落特性,即效率涨落的一些普适性规律,从而提出非线性效应能非常显著地提升非弹性热电性能(Phys. Rev. Applied 7, 064001 (2017))。 鉴于我们在热点输运领域的奠基性工作,在法国科学院院刊Comptes Rendus Physique17.10, 1047 (2016))发表了我们撰写的邀请综述论文。

另外课题组还在光子拓扑材料方向上取得了长足的发展。拓扑绝缘体是近来凝聚态物理的热点。拓扑绝缘体本身的体能带是绝缘体,但在它的界面或者边缘是导带,可以允许电子输运。和传统异质结构来输运电子不同,拓扑绝缘体不需要对材料界面和边缘进行特别地加工,其界面态/边缘态的性质只由其体能带的拓扑性质决定。在受到体能带拓扑性质保护的界面态/边缘态的电子输运不会受到杂质和声子的影响,可以非常的稳定,对于新型电子器件的发展具有重要的应用价值。课题组发现在二维三角晶格光子晶体中,通过改变圆环电介质材料的内外半径和介电常数可以实现光子晶体能带拓扑性质的转变(Optics Express 24(16), 18059-18071(2016))。从而得到二维z2拓扑光子晶体。同时,在三维六角晶系中,我们发现简单有效地实现能带有狄拉克点的光子晶体,这为我们调节拓扑能带提供了帮助(Physical Review B 93(23), 235155(2016))。而对于打破时间反演对称性的系统,我们针对性的对它的效率统计和极值进行了研究(Phys. Rev. Lett. 115, 040601 (2015))。近期,课题组还发现在有非点式对称的光子晶体中具有第二类狄拉克型能带,这丰富了拓扑光子晶体现象和调控方法(npj Quantum Materials 2:54(2017)

未来科技的一个重要挑战是制造具有高能量效率、多功能、少材料耗费的智能设备。热电能量转换具有无机械损耗、无噪音、长寿命等优势,是优质的可再生能源。拓扑现象可以丰富经典波动系统的物理性质,增加了很多崭新的电子物理方面的实际应用,对于新型电子器件的发展具有重要的应用价值。蒋建华课题组团队在之后的科研道路中也必将砥砺前行,不断探索创新,深入“产学研”,力争在领域中有进一步的突破。



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