《拓撲絕緣體物理性質的理論研究》是依託中國科學院大學，由葉飛擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：拓撲絕緣體物理性質的理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：葉飛
- 依託單位：中國科學院大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
拓撲絕緣體是當前凝聚態物理領域中的一個熱點問題。這類材料的特徵是體內元激發具有能隙，而在邊界上存在著受拓撲保護的無能隙邊緣激發。這些低維邊緣激發也和一般的相同維數的費米子體系有著顯著不同，因此倍受人們關注。此外對於時間反演不變的Z2拓撲絕緣體，磁性雜質和電子相互作用有著至關重要的影響，因為它們的存在可能會破壞體系的拓撲性質。基於這些考慮，本課題擬從事如下的具體研究（1）拓撲絕緣體邊緣態的輸運性質和光學性質；（2）拓撲絕緣體中的雜質散射問題；（3）電子相互作用對拓撲絕緣體物理性質和邊緣態的影響。對於這些問題的研究將有助於增進了解拓撲絕緣體的性質，及其存在的條件和可能的套用前景。
結題摘要
拓撲絕緣體(TI)是當前凝聚態物理領域的前沿問題，它不僅具有理論意義（具有時間反演對稱性(TRS)的絕緣體的拓撲分類），也有巨大的套用前景（低能耗自旋電子器件、拓撲量子計算等）。TI的特徵是存在受到TRS保護的金屬型表面態(螺旋金屬態)。當破壞TRS之後，表面金屬態將會打開能隙，並表現出一些有趣的磁電耦合效應。因此TI中的磁性摻雜問題受到理論和實驗上的廣泛關注。本項目主要研究磁性雜質，磁有序結構對TI物理性質的影響，同時也對一些附帶問題進行研究。我們主要考察以下幾個問題:（1）螺旋金屬中的單雜質近藤問題。研究此問題的動機是要了解在低能下螺旋金屬中的電子和局域自旋之間的耦合方式，以確定面內耦合和法線方向耦合的比例。通過計算二階微擾的RG方程，我們的初步結論是低能下耦合參數具有各向異性的不動點。（2）多磁性雜質的RKKY問題。這個問題在研究表面金屬態磁性摻雜時是個核心問題，因為它決定了磁性雜質之間的相互作用形式和強度，並最終決定局域磁有序和表面電子狀態。通過對稱性分析我們發現在RKKY相互作用中存在傳統海森堡項、沿雜質自旋連線的伊辛項，以及DM相互作用。其中海森堡項在雜質間距足夠短時會導致鐵磁耦合，有助於雜質自旋形成鐵磁序，而DM相互作用會導致磁性雜質形成螺旋結構。（3）磁有序結構對表面電子光電導的影響。當TI表面覆蓋一層鐵磁材料或者通過摻雜引入法向磁矩時，表面電子將會打開一個能隙。另外鐵磁層的自旋波激發，由於自旋軌道耦合，也會和電子軌道運動耦合在一起。這兩種激發都會反應在光電導的測量上。（4）表面等離基元對光學性質的影響。當表面電子同時具有費米面和磁化能隙時，反常霍爾效應會將縱向等離基元和橫向激發耦合在一起。為了讓磁化螺旋金屬和電磁場產生更強的耦合，我們考慮TI和正常絕緣體交替層狀結構。當光沿垂直於平面的方向和平行於平面的傳播時，對應的傳播模式分別是橫向圓偏振光，和面內的橢圓偏振光。由於螺旋金屬的自旋動量耦合，這些電磁激發模式也伴隨著極化自旋波的激發。（5）在本基金資助下我們還研究了一些相關問題。包括作為邊緣態存在的一維狄拉克模型中單孤子激發的電荷守恆問題，我們發現為了平衡單孤子的局域分數電荷Q，還需要有-Q的電荷均勻分布在整個空間。
