卢海舟课题组连续在《物理评论快报》发表绝缘体研究新进展

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近日，南方科技大学物理系与量子科学与工程研究院教授卢海舟课题组连续在《物理评论快报》(Physical Review Letters)发表了关于绝缘体研究的两篇论文。一篇题目为“Theory for Magnetic-Field-Driven 3D Metal-Insulator Transitions in the Quantum Limit”（量子极限下磁场驱动的三维金属-绝缘体相变理论），另一篇题目为"Field-tunable one-sided higher-order topological hinge states in Dirac semimetals" (狄拉克半金属中的单边高阶拓扑棱态的磁场调控)。      

        第一篇研究论文记录了卢海舟课题组在强磁场驱动的三维金属-绝缘体相变理论领域取得的进展。正常金属态在非热力学因素下展现绝缘行为的物理起源是困扰了物理学家近50年的问题。一种理论解释是由于费米面附近强的电子-电子相互打开能隙，形成Mott绝缘体；另外一种解释是由于体系的强无序导致电子局域化，形成Anderson 绝缘体。Mott和Anderson也因为对关联和无序电子行为的研究获得了1977年的诺贝尔物理学奖。目前，比较被接受的解释为，绝缘性是电子-电子相互作用和无序共同影响的结果。
        在半导体二维电子气中发现量子霍尔效应后，物理学家又从实验中发现，当调节磁场进行不同的霍尔平台间转换时，体系会呈现磁场驱动的金属-绝缘体相变行为。有趣的是，这种相变展示了非常稳定的普适类。随着对量子霍尔效应的进一步研究，两维体系的这种金属-绝缘体相变也得到了很好的解释，即磁场催化的电子局域化。但是这种磁场驱动的金属-绝缘体相变在三维的非磁性材料体系中却很少被实验观测到。
        2019年，南科大物理系教授张立源及其团队在化合物ZrTe5上成功观测到了三维量子霍尔效应。另一个有趣的发现是，随着磁场的进一步增强，出现了磁场驱动的金属-绝缘体相变，而且也展现出了非常一致的普适类。虽然这种金属-绝缘体相变跟两维量子霍尔效应体系的金属绝-绝缘体相变非常类似，然而实验测量出描述其普适类的临界指数比两维体系的大了将近三倍。显然三维量子霍尔效应体系的金属-绝缘体相变无法用二维体系的物理机制来理解。因此，这个绝缘态的物理基态尚不清楚。

图1 一个三维的绝缘体或者金属(a)，在沿着z方向的磁场下形成一系列的朗道能级(b)。(c)费米能级附近电子在关联效应下打开一个2|ϕ|的能隙，产生绝缘相。

        产生这个金属-绝缘体相变的物理机制是什么？观测到的绝缘行为到底是什么绝缘体产生的？卢海舟课题组提出的理论解决了这两个问题。他们综合考虑了可能引起费米面失稳从而产生绝缘体的各种因素(图1)，包括电声子、电子-电子相互作用以及无序。他们发现，强磁场可以增强电声子相互作用、驱动体系发生从金属态到非公度电荷密度波态的相变。只有当体系同时存在强的电子-电子相互作用和背散射的无序时才能得到实验课题组观测到的金属-绝缘体相变的临界行为，理论计算的临界指数和实验测量值吻合的非常好。他们确定了这个绝缘体的基态是非公度的电荷密度波，而这个相变是由强的电声子、电子-电子相互作用和背散射无序共同影响而产生的。
         该理论丰富了对金属-绝缘体相变物理起源的认识。越来越多的三维体系强磁场驱动的金属-绝缘体相变的发现，将会引起更多的后续实验和理论的研究工作。该研究论文的第一作者为南科大物理系博士后赵鹏露，通讯作者为卢海舟，合作者还包括中国科学院院士、北京大学讲席教授谢心澄，南科大是论文第一单位。
       在第二篇研究论文中，课题组在高阶拓扑绝缘体方面也有了新的突破。拓扑物态是由量子效应导致的新物态，并与体系拓扑性质相联系，是近年来物理学领域的研究热点。拓扑物态中最具代表性的是二维的量子霍尔效应，它是一类奇特的量子物态，不同于传统意义上的金属或绝缘体。它的体态虽为绝缘体，边界却会产生一维的导电通道，或被称为边界态。量子霍尔效应的发现成为了物理学史上最激动人心的篇章之一，其中无耗散的边界态有望在未来用于制作低能耗、高效率的电子器件。
       最近，一类新拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体的提出，引发了新的研究热潮。与先前的拓扑绝缘体相比，该类拓扑绝缘体表现出完全不同的体态和边界态对应关系。以三维为例，通常的拓扑绝缘体具有二维无能隙表面态，而二阶拓扑绝缘体拥有无能隙的一维棱态。然而，由于高阶拓扑绝缘体需要各种对称性的保护，它在实际材料中很难被实现。

图2：狄拉克半金属中的单边拓扑棱态

        基于对三维量子霍尔效应的研究，课题组提出了一种用于高阶拓扑绝缘体实验实现及调控的全新机制。他们表示，一个倾斜磁场可以在狄拉克半金属材料中诱导出单边棱态 (图2)。这和之前提出的高阶拓扑绝缘体不同，狄拉克半金属中的单边棱态不需要特定的对称性保护，所以它比高阶拓扑绝缘体更加有望在实验中被实现。此外，单边棱态实验的实现可以进一步证明三维量子霍尔效应的存在，对高阶拓扑绝缘体的后续研究也有着重要意义。该研究论文的第一作者为南科大量子科学与工程研究院校长博士后陈锐，通讯作者为卢海舟，合作者包括谢心澄，德国马克斯普朗克研究所博士后刘天宇、上海师范大学教授王春明，南科大是论文第一单位。
     以上研究得到国家自然科学基金、广东省普通高校创新团队、深圳市科创委的资助。数值计算得到南科大高性能计算中心支持。


      论文链接：
      第一篇：https://journals.aps.org/prl/abs ... sRevLett.127.046602
      第二篇：https://journals.aps.org/prl/abs ... sRevLett.127.066801


      文章来源：南方科技大学
      卢海舟，2007年于清华大学高等研究所获博士学位，导师朱邦芬院士。同年赴香港大学做博士后研究，合作导师沈顺清教授，2012年转为研究助理教授。现在为南方科技大学物理系教授。目前主要从事凝聚态物理的研究，特别是量子输运。最近的研究兴趣是利用量子场论方法研究新材料中的量子态和量子输运，包括拓扑绝缘体/半金属/超导体，二维层状材料，弱局域化，量子自旋和反常霍尔效应等。曾使用费曼图技术，系统地研究了二维有质量狄拉克电子和三维外尔粒子的量子输运行为。多个理论工作被实验支持和广泛应用。在物理学期刊发表了90余篇论文，总引用5000多次，H指数为38。论文详见 http://www.researcherid.com/rid/F-2671-2011。长期为各种物理学期刊审稿。