石墨烯黏性霍尔流体的光学$N$不变量

在过去三十年中,石墨烯已成为发现拓扑物质独特相的典型平台。陈绝缘体$C\in\mathbb{Z}$和量子自旋霍尔绝缘体$\nu\in\mathbb{Z}_2$都首次在石墨烯中被预言,这引发了拓扑材料研究的真正爆发。在此,我们引入二维物质的一种新拓扑分类——光学$N$相$N\in\mathbb{Z}$。$C$和$\nu$相分别对应于电荷和自旋输运,而$N$相与极化输运相关。在所有三种情况下,电荷/自旋/极化量子在体相中禁运而在边缘允许。一个根本区别在于,$N$不变量定义于所有Matsubara频率和波矢上的动态电磁波。我们表明该拓扑量子数仅由极化率张量$\chi(\omega,\mathbf{q})$的时空色散捕获。我们还证明在石墨烯黏性霍尔流体中$N\neq 0$是非平庸的,其潜在物理机制为霍尔黏度$\eta_H$。在非平庸相中,我们发现一种类似于迈斯纳效应的深亚波长现象:在由霍尔扩散长度$D_H$定义的特别大光子动量$q=D_H^{-1}$处,磁场被完全排出黏性霍尔流体。我们提出一种探测拓扑物质的新手段——倏逝磁光克尔效应(e-MOKE)光谱,以揭示这一新颖的光学$N$不变量并验证磁场排出。我们的工作表明,具有霍尔黏度的石墨烯是拓扑电磁物质相的首个候选材料。