摘 要：拓?fù)浣^緣體是當(dāng)前凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)研究的熱門課題，其獨(dú)特的電子態(tài)結(jié)構(gòu)使其在自旋電子器件和量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物質(zhì)態(tài)，完全不同于傳統(tǒng)意義上的金屬和絕緣體，其體電子態(tài)是有能隙的絕緣態(tài)，表面態(tài)則是無能隙的金屬態(tài)。由于強(qiáng)自旋軌道耦合作用，表面態(tài)受到體能帶結(jié)構(gòu)的時間反演對稱保護(hù)，不易受到體系中缺陷和雜質(zhì)的影響。闡述了反?；魻栃?yīng)、量子霍爾效應(yīng)、三維拓?fù)浣^緣體，同時總結(jié)和展望了其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：反?；魻栃?yīng) 表面電子態(tài) 拓?fù)浣^緣體

材料根據(jù)不同電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)可以區(qū)分為“絕緣體”和“金屬”。拓?fù)浣^緣體不同于一般的絕緣體，是物質(zhì)的一種新的量子物質(zhì)態(tài)，電子態(tài)是有能隙的絕緣體態(tài)，其表面是無間隙的金屬態(tài)。拓?fù)浣^緣體的內(nèi)部是絕緣的，但總有其邊界或表面邊緣狀態(tài)的傳導(dǎo)。拓?fù)浣^緣體這個特殊的電子結(jié)構(gòu)，是通過能帶結(jié)構(gòu)的特殊拓?fù)湫再|(zhì)決定的。絕緣態(tài)是電子態(tài)的一種狀態(tài)，但在表面具有導(dǎo)電通道且與自旋相關(guān)，這意味著該拓?fù)浣^緣體在自旋電子學(xué)方面具有潛在的前景。

一、拓?fù)淠軒Ю碚?/p>

絕緣態(tài)是物質(zhì)最基本的狀態(tài)，原子絕緣體是最簡單的絕緣體，在原子密閉的殼體內(nèi)電子被困住。這樣的材料的電子是惰性的，因?yàn)樗枰芰縼硎闺娮愚D(zhuǎn)移，在晶體的相互影響下產(chǎn)生共價鍵。能帶理論利用了晶體的平移對稱性，在絕緣態(tài)中，有一個能隙將導(dǎo)帶和價帶完全隔開?？梢韵胂髢?yōu)化哈密頓，使它在沒有靠攏能隙的情況下，插入兩者之間。這樣一個過程定義了一個拓?fù)淦胶庵g不同的絕緣狀態(tài)。

量子霍爾效應(yīng)是霍爾效應(yīng)的量子對應(yīng)，是整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的統(tǒng)稱。如果磁場足夠強(qiáng)，溫度足夠低時，材料內(nèi)的電子被局域化為朗道的離散能級，形成絕緣的完整狀態(tài)。此時，材料邊界仍可以導(dǎo)電，形成無“背向散射”的導(dǎo)電通道，從而導(dǎo)致量子霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)。

二、量子自旋霍爾絕緣體

金屬磁性材料中零磁場的霍爾效應(yīng)稱為反常的霍爾效應(yīng)。其電子的運(yùn)動軌道的改變并不是由外磁場對洛倫茲力而產(chǎn)生的。反?；魻栯妼?dǎo)是受材料本身的自發(fā)磁化影響，是一種新的物理效應(yīng)。

反?；魻栃?yīng)直接與材料中的自旋-軌道耦合以及電子結(jié)構(gòu)的Berry相位有關(guān)。在具有自旋-軌道耦合并破壞了時間反演對稱性的情況下，材料特殊的電子結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致在動量空間中產(chǎn)生非零Berry相位，從而電子的運(yùn)動方程也將會該Berry相位的存在所改變，從而產(chǎn)生了反常霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象。這是通常所說的反常霍爾效應(yīng)“本征機(jī)制”。

三、三維拓?fù)浣^緣體

三維拓?fù)浣^緣體是由4個拓?fù)洳蛔兞浚ǎ┟枋?。表面態(tài)取決于連接和的連線與費(fèi)米面相交的次數(shù)，奇數(shù)的表面態(tài)被拓?fù)浔Ｗo(hù)，偶數(shù)的表面態(tài)被未拓?fù)浔Ｗo(hù)，相交次數(shù)的奇、偶數(shù)，取決于4個不變量。

對于三維的絕緣體，其表面是二維的系統(tǒng)，在該點(diǎn)的布里淵區(qū)4個時間反演對稱性上，會有Kramers簡并性，其可形成二維狄拉克能譜。與二維自旋霍爾絕緣體類似，三維拓?fù)浣^緣體也可以由Z2不變量確定的拓?fù)浞诸?。?dāng)參數(shù)= 1，系統(tǒng)被稱為“強(qiáng)拓?fù)浣^緣體”；當(dāng) = 0而不為零時，即是“弱拓?fù)浣^緣體”。

四、結(jié)論和展望

凝聚態(tài)物理學(xué)史，依靠過硬的技術(shù)，生產(chǎn)出高品質(zhì)的材料是成功的關(guān)鍵，含重元素的窄帶隙導(dǎo)體是候選材料。電子間相互作用和自旋軌道相互作用之間的相互影響是一個關(guān)鍵問題，拓?fù)浣^緣體將在自旋電子學(xué)、量子計(jì)算和量子物理學(xué)理論等中起重要作用。拓?fù)浣^緣體的理論和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是相互推動的。我們有理由認(rèn)為，這一領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)向著令人興奮的新方向發(fā)展。

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作者簡介

王鑫（1991.5）女，滿族，籍貫：遼寧撫順人，沈陽師范大學(xué)，物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，14級在讀研究生，碩士學(xué)位，研究方向：光學(xué)