物理所預言一種新類型的拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應

　　日前，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）孫慶豐和謝心澄研究員在鐵磁石墨烯體系中預言了一種新類型的拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應【PRL，104,066805(2010)】。

　　近幾年來，一種全新的量子物質態――拓撲絕緣體已蓬勃興起。與傳統的絕緣體比較，拓撲絕緣體有許多相似之處，但具有完全不同的“拓撲”性質。拓撲絕緣體的塊材是有能隙的絕緣體，但其表面或邊界態是無能隙的金屬態。這種金屬邊界態的存在完全由塊材能帶的全局性質（拓撲序）所決定。更重要的是，這種金屬邊界態受時間反演不變性保護，因而具有很強的抗外界干擾能力。即使體系中存在一定的缺陷、雜質或其它退相干因素，邊界態還能很好保持。由強磁場引起的量子霍爾效應是最早被發現的拓撲絕緣體。最近人們在一些有自旋－軌道耦合的材料中發現另一類拓撲絕緣體。這類拓撲絕緣體是由內在的自旋軌道耦合,結合特殊的能帶結構所引起的，是材料的固有性質；這類體系具有時間反演對稱性。在二維拓撲絕緣體體系，自旋相反的邊緣態中電子沿著相反的方向運動，產生量子自旋霍爾效應。

　　與由自旋軌道耦合所引起的拓撲絕緣體不同，孫慶豐、謝心澄此次預言的這類新的拓撲絕緣體與自旋軌道耦合無關，體系也不具有時間反演不變性，但具有CT不變性（C為電子-空穴電荷共軛變換，T為時間反演變換）。再者，處在平衡時，原來拓撲絕緣體的邊界態只攜帶持續自旋流，而現在的邊界態同時攜帶持續自旋流和持續電流。加電壓時，現在的體系可以同時觀察到量子自旋霍爾效應和量子霍爾效應。所以，這是一種新類型的拓撲絕緣體。

　　由于這類體系既有量子自旋霍爾效應也有量子霍爾效應，導致縱向電阻R14,23和霍爾電阻R14,26 都呈現平臺結構。圖1顯示縱向電阻R14,23和霍爾電阻R14,26 對能量ε0和磁交換常數M的依賴關系。其中一些較小填充因子的電阻平臺值已在圖中標出。另外，他們也研究了這類體系的自旋霍爾阻抗。結果顯示自旋霍爾阻抗RS也有量子化平臺（見圖2）。特別是，這種自旋霍爾阻抗的量子化平臺有非常強的抗無序能力，即使無序強度W增加到帶寬量級，自旋霍爾阻抗的平臺還能保持。

　　該課題得到了國家自然科學基金委和科技部的資助。

圖1:（a）和（b）顯示縱向電阻R14,23和霍爾電阻R14,26 對能量ε0和磁交換M的依賴關系。

圖2 :（a）和（b）分別顯示自旋霍爾阻抗RS與能量ε0和無序強度W的關系。