单粒子层面上拓扑绝缘体的自洽物理图像

能带绝缘体拓扑性质的研究是凝聚态物理中一个有趣的分支。两类拓扑非平庸绝缘体已被广泛研究。第一类的特征是非零的 TKNN 不变量或陈数[1]，这与整数量子霍尔效应中霍尔电导的量子化直接相关。Haldane 提出了一种即使在无宏观磁场下也具有此类能带结构的模型[2]。我们将此类材料称为“陈绝缘体”。第二类被称为“Z2 拓扑绝缘体”，是最近被提出的[3, 4]。在此类系统中已预测并观察到了量子自旋霍尔效应[5, 6]。尽管近期进行了深入研究，但即使是在单粒子层面上，关于 Z2 绝缘体的一些基本问题仍不十分清楚。例如，有观点称 Z2 绝缘体在经历两次循环后将回到其初始状态，因此与储库的耦合对于 Z2 绝缘体连续泵浦自旋至关重要[7]。理论与实验结果表明，量子自旋霍尔效应是材料的边缘态输运性质，与储库的耦合似乎并未发挥重要作用。因此，Z2 图像在解释这些现象时并不令人满意。我们研究了 Z2 绝缘体与陈绝缘体基态之间的关系。结合近期关于陈绝缘体极化[8]及边缘态拓扑[9]的研究结果，我们提出了一种关于拓扑绝缘体的自洽物理图像。