We report the theoretical discovery of a class of 2D tight-binding models containing nearly flatbands with nonzero Chern numbers. In contrast with previous studies, where nonlocal hoppings are usually required, the Hamiltonians of our models only require short-range hopping and have the potential to be realized in cold atomic gases. Because of the similarity with 2D continuum Landau levels, these topologically nontrivial nearly flatbands may lead to the realization of fractional anomalous quantum Hall states and fractional topological insulators in real materials. Among the models we discover, the most interesting and practical one is a square-lattice three-band model which has only nearest-neighbor hopping. To understand better the physics underlying the topological flatband aspects, we also present the studies of a minimal two-band model on the checkerboard lattice.

It has been well-known that topological phenomena with fractional excitations, i.e., the fractional quantum Hall effect (FQHE) \cite{Tsui1982} will emerge when electrons move in Landau levels. In this letter, we report the discovery of the FQHE in the absence of Landau levels in an interacting fermion model. The non-interacting part of our Hamiltonian is the recently proposed topologically nontrivial flat band model on the checkerboard lattice \cite{sun}. In the presence of nearest-neighboring repulsion ($U$), we find that at 1/3 filling, the Fermi-liquid state is unstable towards FQHE. At 1/5 filling, however, a next-nearest-neighboring repulsion is needed for the occurrence of the 1/5 FQHE when $U$ is not too strong. We demonstrate the characteristic features of these novel states and determine the phase diagram correspondingly.

We investigate the stability of a quadratic band-crossing point (QBCP) in 2D fermionic systems. At the noninteracting level, we show that a QBCP exists and is topologically stable for a Berry flux +/-2pi if the point symmetry group has either fourfold or sixfold rotational symmetries. This putative topologically stable free-fermion QBCP is marginally unstable to arbitrarily weak short-range repulsive interactions. We consider both spinless and spin-1/2 fermions. Four possible ordered states result: a quantum anomalous Hall phase, a quantum spin Hall phase, a nematic phase, and a nematic-spin-nematic phase.

We study the transport properties of the Kondo insulator SmB${}_{6}$ with a specialized configuration designed to distinguish bulk-dominated conduction from surface-dominated conduction. We find that as the material is cooled below 4 K, it exhibits a crossover from bulk to surface conduction with a fully insulating bulk. We take the robustness and magnitude of the surface conductivity, as is manifest in the literature of SmB${}_{6}$, to be strong evidence for the topological insulator metallic surface states recently predicted for this material.

We report a facile one-step hydrothermal approach to the synthesis of iron oxide (Fe(3)O(4)) nanoparticles (NPs) with controllable diameters, narrow size distribution, and tunable magnetic properties. In this approach, the iron oxide NPs were fabricated by oxidation of FeCl(2)·4H(2)O in basic aqueous solution under an elevated temperature and pressure. Transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD) studies reveal that the particles are highly crystalline and that the diameters of the particles can be tuned from 15 nm to 31 nm through the variation of the reaction conditions. The NPs exhibit high saturation magnetization in the range of 53.3 ~ 97.4 emu/g and their magnetic behavior can be either ferromagnetic or superparamagnetic depending on the particle size. A superconducting quantum interference device magnetorelaxometry (SQUID-MRX) study shows that the size of the NPs significantly affects the detection sensitivity. The investigated iron oxide NPs may find many potential biological applications in cancer diagnosis and treatment.

In Kondo insulator samarium hexaboride SmB$_6$, strong correlation and band hybridization lead to an insulating gap and a diverging resistance at low temperature. The resistance divergence ends at about 5 Kelvin, a behavior recently demonstrated to arise from the surface conductance. However, questions remain whether and where a topological surface state exists. Quantum oscillations have not been observed to map the Fermi surface. We solve the problem by resolving the Landau Level quantization and Fermi surface topology using torque magnetometry. The observed Fermi surface suggests a two dimensional surface state on the (101) plane. Furthermore, the tracking of the Landau Levels in the infinite magnetic field limit points to -1/2, which indicates a 2D Dirac electronic state.

We conduct a comprehensive study of three different magnetic semiconductors, CrI

The Aubry-Andr\'e or Harper (AAH) model has been the subject of extensive theoretical research in the context of quantum localization. Recently, it was shown that one-dimensional quasicrystals described by the incommensurate AAH model has a nontrivial topology. In this Letter, we show that the commensurate off-diagonal AAH model is topologically nontrivial in the gapless regime and supports zero-energy edge modes. Unlike the incommensurate case, the nontrivial topology in the off-diagonal AAH model is attributed to the topological properties of the one-dimensional Majorana chain. We discuss the feasibility of experimental observability of our predicted topological phase in the commensurate AAH model.

We examine how the properties of the Kondo insulators change when the symmetry of the underlying crystal field multiplets is taken into account. We employ the Anderson lattice model and consider its low-energy physics. We show that in a large class of crystal field configurations, Kondo insulators can develop a topological nontrivial ground state. Such topological Kondo insulators are adiabatically connected to noninteracting insulators with unphysically large spin-orbit coupling, and as such may be regarded as interaction-driven topological insulators. We analyze the entanglement entropy of the Anderson lattice model of Kondo insulators by evaluating its entanglement spectrum. Our results for the entanglement spectrum are consistent with the surface state calculations. Last, we discuss the construction of the maximally localized Wannier wave functions for generic Kondo insulators.

The development and initial demonstration of a scanned-wavelength, first-harmonic-normalized, wavelength-modulation spectroscopy with nf detection (scanned-WMS-nf/1f) strategy for calibration-free measurements of gas conditions are presented. In this technique, the nominal wavelength of a modulated tunable diode laser (TDL) is scanned over an absorption transition to measure the corresponding scanned-WMS-nf/1f spectrum. Gas conditions are then inferred from least-squares fitting the simulated scanned-WMS-nf/1f spectrum to the measured scanned-WMS-nf/1f spectrum, in a manner that is analogous to widely used scanned-wavelength direct-absorption techniques. This scanned-WMS-nf/1f technique does not require prior knowledge of the transition linewidth for determination of gas properties. Furthermore, this technique can be used with any higher harmonic (i.e., n>1), modulation depth, and optical depth. Selection of the laser modulation index to maximize both signal strength and sensitivity to spectroscopic parameters (i.e., gas conditions), while mitigating distortion, is described. Last, this technique is demonstrated with two-color measurements in a well-characterized supersonic flow within the Stanford Expansion Tube. In this demonstration, two frequency-multiplexed telecommunication-grade TDLs near 1.4 μm were scanned at 12.5 kHz (i.e., measurement repetition rate of 25 kHz) and modulated at 637.5 and 825 kHz to determine the gas temperature, pressure, H2O mole fraction, velocity, and absorption transition lineshape. Measurements are shown to agree within uncertainty (1%-5%) of expected values.