In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Chen Fang en Liang Fu van het Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics in China, Kavli Instituut voor Theoretische Wetenschappen en het Departement Natuurkunde, Massachusetts Institute of Technology in de VS heeft de ontdekking gedetailleerd van nieuwe soorten kwantumafwijkingen in tweedimensionale systemen met tijdomkeersymmetrie (T) (behoud van entropie) en discrete rotatiesymmetrie; waarbij een vorm dezelfde structuur behoudt na rotatie door een gedeeltelijke draai en ordening. Vervolgens realiseerden ze fysiek afwijkende toestanden op het oppervlak van nieuwe klassen van topologische kristallijne isolatoren (TCI's) loodrecht op de rotatie-as en ondersteunden ze een spiraalvormige modus. Door de aanwezigheid van spiraalvormige modi konden ze een nieuw kwantumapparaat vormen van een topologische kristallijne isolator die bekend staat als een spiraalvormige nanostaaf met gekwantiseerde longitudinale geleiding.

Een enkele smaak van massaloos relativistisch fermion (elementaire deeltjes) kan kwantumafwijkingen hebben waarbij het behoud van de globale symmetriestroom op kwantumniveau wordt verbroken. Bekende voorbeelden zijn de chirale anomalie van Weyl-fermionen in drie dimensies (3-D), en pariteitsafwijking in 2-D. In het huidige werk, Fang en Fu presenteerden een nieuwe kwantumafwijking geassocieerd met tijdomkering (T) en discrete rotatiesymmetrie (C _N =2, 4, 6). Dergelijke anomalieën konden alleen voorkomen in theorieën die continue rotatiesymmetrieën in 2D doorbraken. Specifieke materialen zoals TCI's (topologische kristallijne isolatoren) kunnen robuuste oppervlaktetoestanden bevatten die een Dirac (grafeenachtige) dispersie hebben ten opzichte van massaloze dragers. Het doorbreken van de beschermende symmetrie binnen dergelijke materialen kan ertoe leiden dat de dragers massa krijgen.

Nieuwe klassen van TCI's vormen

In TCI's, topologie en kristalsymmetrie verstrengelen zich om oppervlaktetoestanden met verschillende kenmerken te vormen. Het doorbreken van kristalsymmetrie in TCI's kan massa geven aan massaloze Dirac-fermionen; daarom, de aanwezigheid van topologische oppervlaktetoestanden beschermd door kristalsymmetrieën is een bepalende eigenschap van TCI's. De 230 eerder geïdentificeerde ruimtegroepen die alle mogelijke kristalsymmetrieën beschrijven, maken veel verschillende klassen van TCI's mogelijk. Onderzoekers hadden eerder een klasse van TCI gevonden die werd beschermd door reflectiesymmetrie in IV-VI-halfgeleiders en een andere klasse van TCI die gezamenlijk werd beschermd door glijreflectie en tijdomkeringssymmetrie in isolatoren met grote openingen om experimentele "zandloper" -fermionen te vormen, terwijl hij verschillende andere klassen van TCI's theoretiseerde.

De standaard zoekprocedure om topologische materialen te vinden, omvat het berekenen van de bandstructuur van een bepaald materiaal om de elektronische toestanden te begrijpen, voer deze informatie vervolgens in op een formule om te onthullen of het materiaal topologisch is. In aanvulling, de elektronische bandstructuur, bekend als de relatie tussen de energie van een elektron en zijn quasi-momentum, kan bepalen of een materiaal een metaal of een isolator is. Onderzoekers hadden onlangs een theorie bewezen om dergelijke topologische materialen te voorspellen en experimenteel te ontdekken. In het huidige werk, daarom, Fang et al. voorspelde een nieuwe klasse van TCI's die gezamenlijk worden beschermd door n-voudige rotatie en tijdomkeringssymmetrie om topologische oppervlaktetoestanden te vertonen die massaloze Dirac-kegels op de boven- en onderoppervlakken bevatten.

Rotatieafwijking begrijpen

De studie van anomalie bracht hen ertoe nieuwe klassen van tijdomkeringsinvarianten te theoretiseren (waarbij de onderliggende wetten niet gevoelig zijn voor de richting van de tijd) TCI's met C _N =2, 4, 6 rotatiesymmetrie. Deze TCI's hadden abnormale oppervlaktetoestanden op het boven- en onderoppervlak. Voor elke nieuwe klasse van TCI's, het team construeerde de overeenkomstige topologische invariant ten opzichte van Bloch-golffuncties in de impulsruimte. Gebaseerd op dimensionale reductie (aantal willekeurige variabelen of attributen in kwestie) en domeinwandtoestanden (magnetische structuren van eindige breedte die gebieden van uniforme magnetisatie binnen een magnetisch materiaal scheiden), de wetenschappers zorgden verder voor een uniform real-space begrip van deze TCI's. Ze voorspelden dat verschillende materialen de abnormale oppervlaktetoestanden zouden realiseren die worden beschermd door twee- en viervoudige rotatiesymmetrieën. De onderzoekers stelden vervolgens een nieuw kwantumapparaat voor op basis van de anomalieën, bekend als de "spiraalvormige staaf, " gemaakt met behulp van deze nieuwe TCI's.

Om de nieuwe TCI's te construeren en de topologie in de momentumruimte te vormen, Fang et al. zou twee tijdomkeringsinvarianten kunnen toevoegen (T-symmetrie), sterke topologische isolatoren (TI's) elk met een n-voudige rotatiesymmetrie. Ze overwogen de door symmetrie toegestane hybridisatie tussen de Dirac-fermionen aan het oppervlak met TI's om de gewenste oppervlaktetoestanden van TCI's te verkrijgen. De onderzoekers beschreven de Dirac-fermionen met behulp van h ₊ en h _- vortex-achtige spintexturen in momentumruimte met links- en rechtshandige chiraliteit. De onderzoekers observeerden de aanwezigheid en afwezigheid van continue rotatiesymmetrie door te kijken naar het pseudospin-vectorpatroon op enkele gelijke energiecontouren van h ₊ en h _- respectievelijk.

Na het vaststellen van de TI-bandstructuur voor oppervlaktetoestanden, Fang et al. gaven een alternatieve verklaring voor hun topologische aard vanuit het perspectief van de reële ruimte, vergelijkbaar met een eerdere onderzoeksaanpak. De real-space-benadering voegde door symmetrie toegestane verstoringen toe om de translatiesymmetrie te doorbreken en de massaloze Dirac-fermionen op het oppervlak te openen voor verder onderzoek. De verschijnselen vergemakkelijkten niet-triviale TCI-toestanden en demonstraties van hun robuustheid onder elektroneninteracties. Voor deze, ze beschouwden een dubbel-TI-model van een TCI geplaatst in een cilinder met een grotere afmeting dan de correlatielengte en het oppervlak, glad op atomaire schaal. voor C _{4, 6} -TCI geplaatst op een cilinder, locaties van de modi op de oppervlaktetoestanden waren niet vastgemaakt aan fysieke scharnieren of kruispunten van kristallijne oppervlakken. Hoewel de cilindrische vorm continue rotatiesymmetrie bevatte, het systeem beschreven in de studie brak het op in discrete rotatiesymmetrie, om het bestaan ​​van 1-D gapless-lijnen aan te geven, zelfs op een perfect gladde cilinder op atomaire schaal.

Fang et al. merkte toen de mogelijkheid op om topologische kristallijne toestanden te begrijpen vanuit een dimensionaal reductieperspectief, waarbij de 3D-toestand kan worden beschouwd als een reeks ontkoppelde lagen van 2D-topologische toestanden. Alle drie typen nieuwe TCI's die in dit werk zijn geïntroduceerd, kunnen daarom worden geconstrueerd uit 2-D TI's. Fang et al. gebruikten deze constructie om hun theorie van sterk op elkaar inwerkende symmetrie-beschermde topologische toestanden uit te breiden die worden beschermd door rotatiesymmetrie en elke lokale symmetrie, waaronder, maar niet beperkt tot tijdomkeersymmetrie.

Aangezien het algemeen bekend is dat 1-D spiraalvormige modi vrij zijn van terugverstrooiing vanwege tijdomkeersymmetrie, deze unieke eigenschap toegestaan ​​Fang et al. om een ​​spiraalvormige nanostaaf te ontwerpen van deze nieuwe materialen. Elke spiraalvormige modus vereiste alleen tijdomkeringssymmetrie voor bescherming en de rotatiesymmetrie zorgde ervoor dat de n-helixmodi elkaar niet in de echte ruimte kruisten en uitstaken. Op deze manier, zolang de rotatiesymmetrie niet aanzienlijk werd verbroken, deze spiraalvormige randmodi zouden stabiel blijven, hoewel ze niet langer via een rotatie aan elkaar gerelateerd waren - om nieuwe klassen van TCI's te vormen met anomalie voor oppervlakterotatie.

© 2020 Wetenschap X Netwerk