時間反演不變性拓撲絕緣體中雜質效應的相關研究.pdf

1、整數(shù)量子霍爾效應以及量子反?；魻栃?作為拓撲絕緣體的第一類例子已經(jīng)被深入研究很多年了。然而,在過去的幾年內,理論上預言了一類新的具有時間反演不變性的二維和三維拓撲絕緣體,這些體系具有能在無外磁場、室溫下工作,以及極低功耗的特點,為未來新型半導體器件的開發(fā)邁出了極為重要的一步。在這些拓撲態(tài)被提出之后,該領域內有兩個亟待解決的問題。第一個問題是,這些態(tài)在自然界中真的能夠被實現(xiàn)嗎?第二個問題是,使這些態(tài)和一般的能帶絕緣體相區(qū)別的性質是什么?

2、本論文將分五個部分著重論述這兩個問題。
　　 第一章,我們介紹了本研究領域的相關背景,以及對于量子自旋霍爾效應和拓撲絕緣體的研究現(xiàn)狀。在量子自旋霍爾效應的這一節(jié)中,我們著重介紹了描述量子自旋霍爾體系的邊緣態(tài)—螺旋液體—的有效理論,及其拓撲穩(wěn)定性。在拓撲絕緣體的小節(jié)中,我們以(2+1)維的狄拉克費米子為例,說明由于宇稱對稱性破缺所引起的物理效應—半整數(shù)量子化的霍爾電導。
　　 第二章,我們主要討論了在垂直外磁場下的二維空穴

3、氣中的自旋霍爾效應。這一討論是針對當時在二維電子氣和空穴氣體系中,不論是在實驗、還是在理論上都不能有效地分辨內秉和外秉自旋霍爾效應的矛盾的。我們提出了兩個可以用來指導在實驗上對內秉和外秉自旋霍爾效應加以區(qū)分的現(xiàn)象。首先,我們發(fā)現(xiàn)了外磁場下二維空穴氣體系中自旋霍爾電導共振的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象只出現(xiàn)在具有內秉自旋霍爾效應的體系中。不僅如此,自旋霍爾電導的共振有效地導致了體系邊界上的自旋積累。其次,我們發(fā)現(xiàn)這一自旋霍爾電導的符號可以通過外磁場、自

4、旋軌道耦合強度,以及空穴的面密度進行周期性地條件。這些結果同時還可能利用在未來的信息技術中。
　　 第三章,我們研究了基于非阿貝爾的Aharonov-Bohm效應在體系邊界上的自旋積累。文獻指出,在[110]量子阱中的Dresselhaus類型的自旋軌道耦合,在數(shù)學上可以通過一個非阿貝爾的規(guī)范變換去除掉。在外磁場的作用下,這樣一個非阿貝爾的規(guī)范勢導致了體系邊界上的自旋積累,其中,兩個邊界上自旋積累的相對符號可以通過Dressel

5、haus自旋軌道耦合的符號來調節(jié)。實驗上,這一結果可以在現(xiàn)有的精度下、通過克爾測量來探測。
　　 第四章,我們討論了拓撲絕緣體里的雜質效應。我們首先介紹了最近在三維拓撲絕緣體中角分辨光電子能譜和掃描隧道顯微鏡中的相關實驗,這些實驗不僅完全驗證了對拓撲絕緣體的理論預言,也給出了在三維拓撲絕緣體表面由于雜質所引起的準粒子的相干現(xiàn)象。針對這些實驗,我們給出了在拓撲絕緣體表面上,非圓形費米面體系中,點狀和線狀雜質對體系局域態(tài)密度的冪次率

6、的一般性定理。我們還討論了在三維拓撲絕緣體表面上的單個磁性雜質對于局域態(tài)密度的影響,以及雜質間的RKKY相互作用。基于磁疇費米子的圖像,我們論證了雜質問的相互作用為鐵磁性相互作用,并用數(shù)值方法驗證了這一結果。我們還給出了相應的重整化方程組。最后,我們還研究了由于在拓撲絕緣體塊體內的雜質帶來的效應。我們發(fā)現(xiàn),不論是對于二維的還是三維的拓撲絕緣體,塊體里的雜質都能在體能隙中引起持續(xù)的局域激發(fā)態(tài),并且不隨著雜質耦合強度的變化而消失。