高阶拓扑绝缘体中带台阶边缘涌现的一维螺旋通道

我们从理论上研究了存在台阶边缘的三维（3D）高阶拓扑绝缘体的电子结构。我们通过数值发现，具有螺旋自旋结构的一维导电态（其在零能附近也具有线性色散）在台阶边缘及台阶边缘的对面表面上涌现。我们还发现，当垂直于台阶方向的电子跳跃较弱时，台阶边缘对面表面上的一维螺旋导电态涌现。换言之，台阶边缘对面表面上的一维螺旋导电态的存在可通过考虑两个不同大小的独立 3D 高阶拓扑绝缘体块的叠加来理解。另一方面，当垂直于台阶方向的电子跳跃较强时，涌现的一维螺旋导电态的位置从台阶边缘的对面表面移动到台阶边缘正下方的凹角（$270^{\circ}$ 边缘）。此情形下，其在台阶下方凹角处的存在可通过为每个表面赋予表面狄拉克费米子质量符号（$+$ 或 $-$）来理解。这两种物理图像在体带隙不闭合的情况下连续相连。我们的发现为利用薄膜器件中常用实验工艺按需从 3D 高阶拓扑绝缘体创建一维螺旋导电态铺平了道路，这可能导向例如高密度马约拉纳量子比特的实现。