晶体绝缘体中的磁电极化率和轴子电动力学

三维固体中电子的轨道运动可以产生赝标量磁电耦合$\theta$，我们利用近期关于弱非均匀材料中极化率的理论，在单粒子情形下推导了这一事实。这个极化率$\theta$与出现在“轴子电动力学”拉格朗日量$\Delta{\cal L}_{EM} = (\theta e^2 / 2 \pi h) {\bf E} \cdot {\bf B}$中的参数相同，该拉格朗日量已知描述了三维拓扑绝缘体（$\theta=\pi$）的非同寻常的磁电性质。我们计算了一个可触及拓扑绝缘体的简单模型中的$\theta$，并讨论了其与表面霍尔电导率的联系。轨道磁电极化率可以推广到多粒子波函数，并像整数量子霍尔效应（IQHE）一样，通过拓扑基态响应函数来定义三维拓扑绝缘体。