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关联拓扑Kondo绝缘体YbB6和关联拓扑晶体绝缘体YbB12
发布日期：2014-10-13

文章来源：中科院物理所
拓扑绝缘体是当前凝聚态物理的研究热点之一。这类材料不同于传统的“金属”和“绝缘体”，其体内为有能隙的绝缘态，而表面则是无能隙的金属态。这种金属表面态是由内在电子结构的拓扑性质决定的，受时间反演不变性的保护，因而受缺陷、杂质等外界影响较小。目前发现的和实验研究的拓扑绝缘体大部分是半导体材料，电子间的关联效应很小，理论分析较为简单。而能否在强关联材料体系中发现新的拓扑绝缘体材料，则是非常有意义的物理问题，因为强关联拓扑绝缘体的发现将带来许多全新的理论问题，如不同拓扑有序态之间的拓扑相变、电子－电子相互作用是否能改变电子结构的拓扑指数等等。
　　2013年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）T03组在强关联拓扑绝缘体研究方面取得进展，他们利用Gutzwiller变分法结合第一性原理计算研究了典型的混合价态化合物SmB₆，指出SmB₆是拓扑Kondo绝缘体，并很快得到了许多实验的证实。最近，在物理所的丁洪小组和T03组参与的瑞士PSI实验研究中，利用自旋分辨的角分辨光电子能谱，观测到了SmB₆表面态上自旋与晶格动量的锁定关系，为证明理论预言提供了新的有力证据，该工作发表在Nature Communications上[Nat. Comms. 5, 4566(2014)]。
　　关联效应还会导致更多的拓扑非平庸量子态。今年翁红明副研究员、方忠、戴希研究员指导博士后赵建洲和博士生王志俊通过LDA+G及LDA+DMFT计算，首次提出关联拓扑晶体Kondo绝缘体，并预言YbB₁₂是实现这类新型拓扑量子态的材料。不同于拓扑绝缘体，拓扑晶体绝缘体是由晶体对称性保护的拓扑态。典型的拓扑晶体绝缘体有SnTe等，由镜面对称操作把属于其本征态的电子能带分成两类，这两类占据态的陈数之差即定义了新的拓扑不变量－镜面陈数。他们的计算结果显示，在YbB₁₂里，由于在时间反演不变动量点X处有偶数个能带反转，所以其拓扑镜面陈数是2。因此在保持镜面对称的表面上，有偶数个（4个）不在时间反演不变动量点的Dirac锥形表面态。LDA+DMFT的计算表明，YbB₁₂的能隙有非常明显的温度依赖关系，是典型的Kondo效应的体现，因此属于由关联效应导致的拓扑晶体Kondo绝缘体。他们还把YbB₁₂与YbB₆进行对比研究，发现YbB₆与SmB₆具有类似的电子结构，也是关联拓扑Kondo绝缘体，但是其关联效应比较弱，更倾向于能带拓扑绝缘体，目前已经有实验观测证实了YbB₆的拓扑特性，譬如Sci. Rep. 4, 5999 (2014)，arXiv:1405.0165等。
　　相关研究得到国家自然科学基金委员会和科技部有关基金的支持。这一研究成果已发表在物理评论快报Phys. Rev. Lett. 112, 016403 (2014)上，并被选为封面文章。

YbB₆和YbB₁₂的晶体结构。被选为Phys. Rev. Lett.112卷第一期的封面。

YbB₆（左）和YbB₁₂（右）电子结构随温度的演变。前者能隙随温度变化不大，接近能带绝缘体，后者能隙随温度升高关闭，是典型的Kondo绝缘体。

YbB₆的（001）和（111）表面态具有奇数个Dirac锥形表面态。YbB₁₂的（001）表面态及其费米面。它有偶数个Dirac锥形表面态。