量子自旋霍尔边缘模是否比量子霍尔边缘模对无序、样品几何与非弹性散射更具韧性？
介观与纳米尺度物理
2016-03-15 v2 数学物理
math.MP
量子物理
摘要
在二维拓扑绝缘体表面出现具有狄拉克型色散的一维量子自旋霍尔(QSH)边缘模。与在高磁场下二维电子气(2DEG)中出现的量子霍尔(QH)边缘模不同，QSH边缘模的出现是由于材料体内的自旋轨道散射。这些QSH边缘模是自旋依赖且手性的——相反自旋沿相反方向移动。电子自旋比电荷具有更长的退相干和弛豫时间——有鉴于此，预期QSH边缘模将比电荷依赖且自旋未极化的QH边缘模对无序和非弹性散射更鲁棒。然而，我们注意到在类似于QH边缘模的设定下施加同等程度的接触无序和/或非弹性散射时，QSH边缘模并未获得此种优势。事实上我们观察到QSH边缘模比QH边缘模更易受非弹性散射和接触无序影响。此外，单个无序接触对QH边缘模无影响，却会在量子自旋霍尔边缘模情形下导致有限电荷霍尔电流，从而纯量子自旋霍尔效应消失。对于多于一个无序接触，虽然量子霍尔态继续保持对无序免疫，量子自旋霍尔边缘模却变得更敏感——量子自旋霍尔效应的霍尔电阻随无序增加而变号。在包含非弹性散射的多个无序接触情形下，虽然霍尔边缘模的量子化保持，但对于量子自旋霍尔边缘模仍有有限电荷霍尔电流流动。对于非弹性散射区中的量子自旋霍尔边缘模，我们区分两种情况：有自旋翻转与无自旋翻转散射。最后，虽然样品几何中的不对称性可对量子自旋霍尔情形产生有害影响，其对量子霍尔情形却无影响。
引用
@article{arxiv.1510.00105,
title = {Are quantum spin Hall edge modes more resilient to disorder, sample geometry and inelastic scattering than quantum Hall edge modes?},
author = {Arjun Mani and Colin Benjamin},
journal= {arXiv preprint arXiv:1510.00105},
year = {2016}
}
备注
15 pages, 6 figures, Accepted for publication in J. Physics Condensed Matter (2016)