三维拓扑绝缘体中由泡利不相容原理引起的巨法拉第效应

基于光电效应的 ARPES 实验表明，三维拓扑绝缘体 (TI) 的表面态是螺旋性的。在此，我们考虑窄带隙半导体（如 Pb$_{1-x}$Sn$_{x}$Te）中由能带反转引起的 Weyl 界面费米子。正负能解可以通过三维 TI 中自旋螺旋性算符的相反螺旋性来识别，即 $\hat{h}_{\textrm{TI}}=\left(1/\left|p_{\bot}\right|\right)\beta\left(\boldsymbol{\sigma}_{\perp}\times\boldsymbol{p}_{\perp}\right)\cdot\boldsymbol{\hat{z}}$，其中 $\beta$ 是 Dirac 矩阵，$\boldsymbol{\hat{z}}$ 指向垂直于界面的方向。利用三维 Dirac 方程和能带结构计算，我们表明产生电子 - 空穴对的正负能解之间的跃迁遵循严格的光学选择定则。为了展示这些选择定则的后果，我们在泵浦 - 探测装置中考虑了 PbTe/Pb$_{0.31}$Sn$_{0.69}$Te/PbTe 异质结双层界面三维 TI 中由泡利不相容原理引起的法拉第效应。为此，我们计算了该异质结的光学电导率张量，并用于求解 Maxwell 方程组。法拉第旋转角随探测波长和异质结厚度的变化而振荡。法拉第旋转角的最大值在毫弧度量级。