拓撲近藤絕緣體及其表面態的研究

《拓撲近藤絕緣體及其表面態的研究》是依託杭州師範大學，由封曉勇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：拓撲近藤絕緣體及其表面態的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：封曉勇
• 依託單位：杭州師範大學

項目摘要

本項目研究拓撲近藤絕緣體及其表面態的性質。拓撲絕緣體按照其體能隙的起源可以分為拓撲能帶絕緣體，拓撲安德森絕緣體，拓撲莫特絕緣體及拓撲近藤絕緣體等。拓撲近藤絕緣體的體能隙由導帶電子與局域電子的雜化形成，其無能隙的表面態由導帶電子和局域電子複合而成。處理這樣的系統除了要使用常規拓撲絕緣體的概念和研究手段之外還需借鑑處理強關聯問題的理論方法。本項目利用隸玻色子方法，大N展開方法，投影方法等研究手段處理與拓撲近藤絕緣體有關的物理問題。此類問題包括形成拓撲近藤絕緣體的新物理機制、磁性對拓撲近藤絕緣體的影響和可能發生的量子相變、在超導鄰近效應的影響下表面態的反應，表面態中量子磁性雜質的性質等。對拓撲近藤絕緣體的理論研究可以促進對拓撲絕緣體中強關聯效應的認識，可以揭示新的物質特性，從長遠來看在科學技術方面有潛在的套用。

結題摘要

本項目的研究對象為拓撲近藤絕緣體。選題的背景有兩方面，一方面拓撲絕緣體由於其帶來的嶄新概念和套用前景為當前的研究熱門，另一方面近藤效應和重費米子物理作為典型的強關聯現象長期受到人們的關注。兩者的結合是一個很有意思的研究課題。本研究項目的工作主要是回答以下幾方面的問題：①近藤系統在什麼情況下為拓撲絕緣體；②若為拓撲絕緣體，其邊界態有什麼不一樣的特點；③加入相互作用後，系統的量子相圖是怎樣的，會有什麼新穎的量子相。為此我們構造了周期安德森格點上的Kane-Mele模型。此模型坐落在蜂窩格點上，傳導電子可在近鄰格點間跳躍，並且具有自旋軌道耦合。深能級的局域電子與傳導電子發生雜化。在半滿填充時，由於傳導電子在費米面附近的低態密度，當雜化強度大於某個有限值時，系統會發生從拓撲絕緣體到近藤絕緣體的量子相變。考慮到目前實驗上出現了具有稀載流子的近藤絕緣體。在本項目研究期間，我們考察了載流子稀少的情形。根據局域電子在位庫倫排斥的大小，我們對強弱兩種情形進行了分析。發現費米能級總可可調至自旋軌道耦合打開的能隙中。此時系統為拓撲近藤絕緣體。其準粒子為重費米子，其邊界態具有重費米子特徵，表現為頻寬很窄、準粒子速度很小。我們接著研究了準粒子四分子一填充的情形。不考慮傳導電子的自旋軌道耦合，而加上局域自旋的鐵磁耦合。我們得到了關於雜化強度和鐵磁耦合強度的量子相圖。在鐵磁序參量與重費米子序參量共存的相區，系統的費米能級處於準粒子某一自旋分量的狄拉克點附近，而落在了另一分量的能隙中。也就是說，此時系統的低能元激發為單自旋分量的狄拉克型準粒子，並且這樣的準粒子具有速度小的特點。我們知道，half-metal在費米面附近只有一種自旋分量，這樣的材料在自旋電子學中有它的用武之地，而semimetal雖然沒有能隙，但在費米面附近的態密度趨向於零，這使得它具有獨特的輸運性質和熱力學性質。這裡得到的系統具有兩者的特徵，我們稱之為half-semimetal。這種新穎的狀態無論在理論上還是套用上都具有很高的價值。