磁性拓扑绝缘体薄膜中的 Dirac 费米子与拓扑相

我们针对磁性拓扑绝缘体薄膜中的拓扑相发展了一套 Dirac 费米子理论。该理论基于三维拓扑绝缘体（TI）薄膜有效模型的能量与波函数精确解。研究发现，该 TI 薄膜的表面态由一对无质量或有质量的 Dirac 费米子组成，而体态由一系列有质量的 Dirac 费米子组成。当价带被完全占据时，有质量的 Dirac 费米子总是携带零或整数量子霍尔电导；而当化学势在有限范围内位于 Dirac 点附近时，无质量的 Dirac 费米子携带一半量子霍尔电导。薄膜磁性层中的磁交换相互作用可用于操控 Dirac 费米子的质量或手性，并产生不同的拓扑相，这些相涵盖了已知的拓扑绝缘相（如量子反常霍尔效应、量子自旋霍尔效应和轴子效应），以及新颖的拓扑金属相（如半量子化霍尔效应、半量子镜像霍尔效应和金属量子反常霍尔效应）。