Nye klasser af topologiske krystallinske isolatorer med overfladerotationsanomali

I en ny rapport om Videnskab fremskridt , Chen Fang og Liang Fu fra Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics i Kina, Kavli Institute for Theoretical Sciences og Institut for Fysik, Massachusetts Institute of Technology i USA Detaljeret opdagelsen af ​​nye typer kvanteanomalier i todimensionale systemer med tidsomvendt symmetri (T) (bevarelse af entropi) og diskret rotationssymmetri; hvor en form bevarer den samme struktur efter rotation ved en delvis drejning og rækkefølge. De realiserede derefter fysisk uregelmæssige tilstande på overfladen af ​​nye klasser af topologiske krystallinske isolatorer (TCI'er), der er normale i forhold til rotationsaksen og understøtter en spiralformet tilstand. Tilstedeværelsen af ​​spiralformede måder tillod dem at danne en ny kvanteindretning fra en topologisk krystallinsk isolator kendt som en spiralformet nanorod med kvantiseret langsgående konduktans.

En enkelt smag af masseløs relativistisk fermion (elementære partikler) kan have kvante -anomalier, hvor bevarelsen af ​​den globale symmetri -strøm brydes på kvante -niveau. Kendte eksempler omfatter den chirale anomali af Weyl fermioner i tre dimensioner (3-D), og paritetsanomali i 2-D. I det nuværende arbejde, Fang og Fu præsenterede en ny kvante -anomali forbundet med tidsomvendelse (T) og diskret rotationssymmetri (C _n =2, 4, 6). Sådanne anomalier kunne kun eksistere i teorier, der brød kontinuert rotation symmetrier i 2-D. Specifikke materialer, såsom TCI'er (topologiske krystallinske isolatorer) kan rumme robuste overfladetilstande, der har en Dirac (grafenlignende) dispersion i forhold til masseløse bærere. At bryde den beskyttende symmetri inden for sådanne materialer kan få bærerne til at erhverve masse.

Danner nye klasser af TCI'er

I TCI'er, topologi og krystallsymmetri fletter sig sammen for at danne overfladetilstande med forskellige egenskaber. Bryde krystal symmetri i TCI'er kan bibringe masse til masseløse Dirac fermioner; derfor, tilstedeværelsen af ​​topologiske overfladetilstande beskyttet af krystalsymmetrier er en definerende egenskab for TCI'er. De 230 tidligere identificerede rumgrupper, der beskriver alle mulige krystal -symmetrier, tillader mange forskellige klasser af TCI'er. Forskere havde tidligere fundet en klasse af TCI beskyttet af refleksionssymmetri i IV-VI halvledere og en anden klasse af TCI beskyttet i fællesskab af glidrefleksion og tidsomvendt symmetri inden for store mellemrumsisolatorer for at danne eksperimentelle "timeglas" fermioner, mens han teoretiserer flere andre klasser af TCI'er.

Standardsøgningsproceduren for at finde topologiske materialer involverer beregning af båndstrukturen for et bestemt materiale for at forstå de elektroniske tilstande, derefter fodre disse oplysninger til en formel for at afsløre, om materialet er topologisk. Ud over, den elektroniske båndstruktur, kendt som forholdet mellem elektronens energi og dens kvasi-momentum, kan afgøre, om et materiale er et metal eller en isolator. Forskere havde for nylig bevist en teori om at forudsige og eksperimentelt opdage sådanne topologiske materialer. I det nuværende arbejde, derfor, Fang et al. forudsagde en ny klasse af TCI'er i fællesskab beskyttet af n-fold rotation og tidsomvendt symmetri for at udvise topologiske overfladetilstande, der indeholder masseløse Dirac-kegler på de øverste og nederste overflader.

Forstå rotationsanomali

Undersøgelsen af ​​anomali førte dem til at teoretisere nye klasser af tidsomvendt invariant (hvor de underliggende love ikke er følsomme over for tidsretningen) TCI'er med C _n =2, 4, 6 rotationssymmetri. Disse TCI'er havde unormale overfladetilstande på de øverste og nederste overflader. For hver ny klasse af TCI'er, holdet konstruerede den tilsvarende topologiske invariant i forhold til Bloch -bølgefunktioner i momentumrum. Baseret på dimensionsreduktion (antal tilfældige variabler eller attributter, der overvejes) og domæne -vægtilstande (magnetiske strukturer med endelig bredde, der adskiller områder med ensartet magnetisering inden for et magnetisk materiale), forskerne gav endvidere en samlet real-space forståelse af disse TCI'er. De forudsagde flere materialer for at realisere de uregelmæssige overfladetilstande beskyttet af to- og firfoldige rotationssymmetrier. Forskerne foreslog derefter en ny kvanteenhed baseret på anomalierne, kendt som "spiralformet stang, "lavet ved hjælp af disse nye TCI'er.

For at konstruere de nye TCI'er og danne topologi i momentumrum, Fang et al. kunne tilføje to tidsomvendt invariant (T-symmetri), stærke topologiske isolatorer (TI'er) hver med n-fold rotationssymmetri. De betragtede den symmetri-tilladte hybridisering mellem overflade Dirac fermioner til TI'er for at opnå de ønskede overfladetilstande for TCI'er. Forskerne beskrev Dirac fermioner ved hjælp af h ₊ og h _- hvirvellignende spin-teksturer i momentumrum med venstre- og højrehåndskiralitet. Forskerne observerede tilstedeværelse og fravær af kontinuerlig rotationssymmetri ved at se på pseudospinvektormønsteret på nogle lige energikonturer af h ₊ og h _- henholdsvis.

Efter etablering af TI -overfladetilstandsbåndstrukturen, Fang et al. gav en alternativ forklaring på deres topologiske natur fra det virkelige rums perspektiv, ligner en tidligere forskningstilgang. Real-space tilgangen tilføjede symmetri-tilladte forstyrrelser til at bryde translationel symmetri og gab de masseløse Dirac fermioner på overfladen til yderligere undersøgelse. Fænomenerne lettede utrivelige TCI -tilstande og demonstrationer af deres robusthed under elektroninteraktioner. For det, de overvejede en dobbelt-TI-model af en TCI placeret i en cylinder med en størrelse større end korrelationslængden og overfladen, glat i atomskalaen. For C _{4, 6} -TCI placeret på en cylinder, placeringen af ​​tilstande på overfladetilstandene blev ikke fastgjort til fysiske hængsler eller krydsninger mellem krystallinske overflader. Selvom den cylindriske form indeholdt kontinuerlig rotationssymmetri, systemet beskrevet i undersøgelsen brød det ned til diskret rotationssymmetri, at angive eksistensen af ​​1-D gapløse linjer selv på en perfekt atomskala glat cylinder.

Fang et al. noterede sig derefter muligheden for at forstå topologiske krystallinske tilstande ud fra et dimensionsreduktionsperspektiv, hvor 3D-tilstanden kunne betragtes som et sæt afkoblede lag af 2-D topologiske tilstande. Alle tre typer nye TCI'er, der blev introduceret i dette arbejde, kunne derfor konstrueres ud fra 2-D TI'er. Fang et al. brugte denne konstruktion til at udvide deres teori om stærkt interagerende symmetribeskyttede topologiske tilstande beskyttet af rotationssymmetri og enhver lokal symmetri, herunder, men ikke begrænset til tidsomvendt symmetri.

Da 1-D-spiralformede tilstande er velkendte for at være fri for tilbagespredning på grund af tidsomvendt symmetri, denne unikke ejendom tillod Fang et al. at designe en spiralformet nanorod af disse nye materialer. Hver spiralformet tilstand krævede kun tidsomvendt symmetri for beskyttelse, og rotationssymmetrien sikrede, at n-spiralformene ikke krydsede hinanden i det virkelige rum og sprang ud. På denne måde, så længe rotationssymmetrien ikke var væsentligt brudt, disse spiralformede kanttilstande ville forblive stabile, selvom de ikke længere relaterede sig til hinanden via en rotation - for at danne nye klasser af TCI'er med overfladerotationsanomali.

© 2020 Science X Network