中國科大在高階拓撲絕緣體理論研究中取得新突破

2020-11-25 中國科大..

近日，我校合肥微尺度物質科學國家研究中心國際量子功能材料設計中心與物理系喬振華教授課題組與美國德克薩斯大學奧斯汀分校牛謙教授合作，在理論預言低維體系高階拓撲絕緣體方面取得新突破。相關成果於2020年4月24日發表在國際權威物理學期刊《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 124, 166804 (2020)]上。去年暑期畢業並獲得中國科學院院長特別獎的任亞飛博士為第一作者。

拓撲量子體系是當今凝聚態物理一個備受關注的研究領域。在該領域的發展過程中，Kane-Mele模型與Bernevig-Hughes-Zhang模型是兩個獨立提出實現二維Z2拓撲絕緣體的重要理論模型。對於一個有開放邊界的二維拓撲絕緣體，其邊界上有一對自旋相反受時間反演對稱保護的相向傳輸的邊界態。近期，結合對稱性和材料資料庫的高通量計算報導了幾十種二維拓撲絕緣體材料。其中，絕大多數已發現的材料體系可以被這兩種理論模型有效地描述。隨著拓撲絕緣體這一概念的持續推廣，使得廣泛存在於二維和三維層狀材料體系中的新型拓撲相被不斷發現。

近年來的理論發展將拓撲相推廣到了高階。具體體現為：N維高階絕緣體的N-1維邊界依然絕緣，但是在N-2維的稜邊或稜角上具有受拓撲保護的電子態。對於一個二維高階拓撲絕緣體，電子在邊界上無法傳輸，但是在兩個邊相交的稜角處，可以出現零能電子態（即，角態）。然而，這種二維高階拓撲絕緣體在凝聚態體系中還尚未被實現。

圖：高階拓撲絕緣體在不同形狀體系的零能角態。

在該文中，喬振華教授與合作者提出一種新的方案來實現從一階到二階拓撲絕緣體的操控，即通過在二維一階拓撲絕緣體上誘導出面內磁矩來實現二維二階拓撲絕緣體。一階拓撲絕緣體受時間反演對稱性保護；然而，面內磁矩的出現破壞了該對稱性，使得拓撲絕緣體變的拓撲平庸。同時，導電的邊界態也由於對稱性被破壞而變得絕緣不再導電，並且在兩個絕緣的邊界交界處，出現了零能電子態。具體體系演示如上圖所示，在邊界的120°的夾角上出現了零能電子態，驗證了高階拓撲絕緣體的出現。值得指出的是，由於體系的有限尺寸，這些角落上的電子態有微弱的耦合，形成一些成鍵態和反鍵態，在半填充時，電子在每個角上的電荷分布為元電荷的1/2。

在實驗上實現該高階拓撲絕緣體，通常需要大能隙一階拓撲絕緣體及合適的面內磁矩。一階拓撲絕緣體材料目前已經被大量發現，因此實驗方面有多種可供選擇的體系。而面內磁矩既可以通過面內磁場實現，也可以通過具有面內磁化的磁性襯底實現。該項研究為設計實現高階拓撲絕緣體提供了堅實的理論依據。

該工作得到科技部、基金委、安徽省和校科研部的資助。

論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.166804


(合肥微尺度物質科學國家研究中心國際量子功能材料設計中心、物理學院、科研部）

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