关于磁性拓扑绝缘体薄膜中质量化表面电子的半量子化霍尔电导
介观与纳米尺度物理
2024-09-04 v1
摘要
在拓扑绝缘体中，由局域对称性破缺产生的有质量表面能带被认为表现出半量子化霍尔电导。然而，此类情形显然与Thouless-Kohmoto-Nightingale-Nijs定理不一致，该定理指出具有有限布里渊区的晶格中的单能带只能具有整数量子化霍尔电导。为探究此问题，我们研究了描述支持轴子绝缘体、陈绝缘体和半磁性拓扑绝缘体相的磁性拓扑绝缘体薄膜的晶格模型的能带结构。我们揭示出三相中有间隙和无间隙的表面能带分别表征为整数量子化霍尔电导和半量子化霍尔电导。该结果不同于先前认为有间隙表面能带导致半量子化霍尔电导、无间隙能带应呈现零霍尔响应的共识。我们提出一个有效模型来描述三相，并表明表面能带的低能色散继承自表面狄拉克费米子。有间隙表面能带在布里渊区中心的低能处呈现近乎半量子化的霍尔电导，但在布里渊区边界的高能处被另一近乎半量子化的霍尔电导所补偿，因为单能带只能具有整数量子化霍尔电导。无间隙态在低能处具有零霍尔电导，但在高能处被另一半量子化霍尔电导补偿，因此半量子化霍尔电导只能源自无间隙能带。此外，我们计算了系统的层分辨霍尔电导。该结论表明在晶格模型中单个有间隙表面能带本身不支持半量子化表面霍尔效应。
引用
@article{arxiv.2304.04229,
title = {On the half-quantized Hall conductance of massive surface electrons in magnetic topological insulator films},
author = {Rui Chen and Shun-Qing Shen},
journal= {arXiv preprint arXiv:2304.04229},
year = {2024}
}