物理所预言一种新类型的拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应

    中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)孙庆丰和谢心澄研究员在铁磁石墨烯体系中预言了一种新类型的拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应【PRL，104,066805(2010)】。

    近几年来，一种全新的量子物质态――拓扑绝缘体已蓬勃兴起。与传统的绝缘体比较，拓扑绝缘体有许多相似之处，但具有完全不同的“拓扑”性质。拓扑绝缘体的块材是有能隙的绝缘体，但其表面或边界态是无能隙的金属态。这种金属边界态的存在完全由块材能带的全局性质(拓扑序)所决定。更重要的是，这种金属边界态受时间反演不变性保护，因而具有很强的抗外界干扰能力。即使体系中存在一定的缺陷、杂质或其它退相干因素，边界态还能很好保持。由强磁场引起的量子霍尔效应是最早被发现的拓扑绝缘体。最近人们在一些有自旋－轨道耦合的材料中发现另一类拓扑绝缘体。这类拓扑绝缘体是由内在的自旋轨道耦合,结合特殊的能带结构所引起的，是材料的固有性质；这类体系具有时间反演对称性。在二维拓扑绝缘体体系，自旋相反的边缘态中电子沿着相反的方向运动，产生量子自旋霍尔效应。

    与由自旋轨道耦合所引起的拓扑绝缘体不同，孙庆丰、谢心澄此次预言的这类新的拓扑绝缘体与自旋轨道耦合无关，体系也不具有时间反演不变性，但具有CT不变性(C为电子-空穴电荷共轭变换，T为时间反演变换)。再者，处在平衡时，原来拓扑绝缘体的边界态只携带持续自旋流，而现在的边界态同时携带持续自旋流和持续电流。加电压时，现在的体系可以同时观察到量子自旋霍尔效应和量子霍尔效应。所以，这是一种新类型的拓扑绝缘体。

    由于这类体系既有量子自旋霍尔效应也有量子霍尔效应，导致纵向电阻R14,23和霍尔电阻R14,26 都呈现平台结构。图1显示纵向电阻R14,23和霍尔电阻R14,26 对能量ε0和磁交换常数M的依赖关系。其中一些较小填充因子的电阻平台值已在图中标出。另外，他们也研究了这类体系的自旋霍尔阻抗。结果显示自旋霍尔阻抗RS也有量子化平台(见图2)。特别是，这种自旋霍尔阻抗的量子化平台有非常强的抗无序能力，即使无序强度W增加到带宽量级，自旋霍尔阻抗的平台还能保持。

    该课题得到了国家自然科学基金委和科技部的资助。