物理所關聯拓撲絕緣體和關聯拓撲晶體絕緣體研究獲進展

2020-12-07 中國科學院

　　拓撲絕緣體是當前凝聚態物理的研究熱點之一。這類材料不同於傳統的「金屬」和「絕緣體」，其體內為有能隙的絕緣態，而表面則是無能隙的金屬態。這種金屬表面態是由內在電子結構的拓撲性質決定的，受時間反演不變性的保護，因而受缺陷、雜質等外界影響較小。目前發現的和實驗研究的拓撲絕緣體大部分是半導體材料，電子間的關聯效應很小，理論分析較為簡單。而能否在強關聯材料體系中發現新的拓撲絕緣體材料，則是非常有意義的物理問題，因為強關聯拓撲絕緣體的發現將帶來許多全新的理論問題，如不同拓撲有序態之間的拓撲相變、電子－電子相互作用是否能改變電子結構的拓撲指數等。

　　2013年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）凝聚態理論與材料計算重點實驗室方忠研究組在強關聯拓撲絕緣體研究方面取得進展，他們利用Gutzwiller變分法結合第一性原理計算研究了典型的混合價態化合物SmB6，指出SmB6是拓撲Kondo絕緣體，並很快得到了許多實驗的證實。最近，在物理所的丁洪小組和方忠組參與的瑞士PSI實驗研究中，利用自旋分辨的角分辨光電子能譜，觀測到了SmB6表面態上自旋與晶格動量的鎖定關係，為證明理論預言提供了新的有力證據，該工作發表在Nature Communications上【Nat. Comms. 5, 4566(2014)】。

　　關聯效應還會導致更多的拓撲非平庸量子態。今年翁紅明副研究員、方忠、戴希研究員指導博士後趙建洲和博士生王志俊通過LDA+G及LDA+DMFT計算，首次提出關聯拓撲晶體Kondo絕緣體，並預言YbB12是實現這類新型拓撲量子態的材料。不同於拓撲絕緣體，拓撲晶體絕緣體是由晶體對稱性保護的拓撲態。典型的拓撲晶體絕緣體有SnTe等，由鏡面對稱操作把屬於其本徵態的電子能帶分成兩類，這兩類佔據態的陳數之差即定義了新的拓撲不變量－鏡面陳數。他們的計算結果顯示，在YbB12裡，由於在時間反演不變動量點X處有偶數個能帶反轉，所以其拓撲鏡面陳數是2。因此在保持鏡面對稱的表面上，有偶數個（4個）不在時間反演不變動量點的Dirac錐形表面態。LDA+DMFT的計算表明，YbB12的能隙有非常明顯的溫度依賴關係，是典型的Kondo效應的體現，因此屬於由關聯效應導致的拓撲晶體Kondo絕緣體。他們還把YbB12與YbB6進行對比研究，發現YbB6與SmB6具有類似的電子結構，也是關聯拓撲Kondo絕緣體，但是其關聯效應比較弱，更傾向於能帶拓撲絕緣體，目前已經有實驗觀測證實了YbB6的拓撲特性，譬如Sci. Rep. 4, 5999 (2014)，arXiv:1405.0165等。

　　相關研究得到國家自然科學基金委員會和科技部有關基金的支持。這一研究成果已發表在《物理評論快報》【Phys. Rev. Lett. 112, 016403 (2014)】上，並被選為封面文章。

YbB6和YbB12的晶體結構。被選為Phys. Rev. Lett.112卷第一期的封面。

    YbB6（左）和YbB12（右）電子結構隨溫度的演變。前者能隙隨溫度變化不大，接近能帶絕緣體，後者能隙隨溫度升高關閉，是典型的Kondo絕緣體。

    YbB6的（001）和（111）表面態具有奇數個Dirac錐形表面態。YbB12的（001）表面態及其費米面。它有偶數個Dirac錐形表面態。

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