四维带隙相中的拓扑电磁效应与高阶第二陈数

高维拓扑相在通过降维过程理解低维拓扑相及相关拓扑响应中起着关键作用。在这项工作中，我们提出了一个受$\mathcal{CP}$对称性保护的四维（4D）$\mathbb{Z}_2$拓扑绝缘体（TI）的狄拉克型模型，其三维边界支持奇数个狄拉克锥。一个特定的微扰将每个体态大质量狄拉克锥分裂为在能量-动量空间中分离、具有相反第二陈数的两个谷，其中三维边界模式变为节点球或外尔半金属相。通过引入电磁（EM）和赝电磁场，揭示了我们四维系统的奇异拓扑响应，发现其在低能区由（4+1）维混合陈-西蒙斯理论描述。值得注意的是，当体态能隙关闭并产生奇异的双节线/节点超环面无隙相时，发生了从$\mathcal{CP}$破缺的$\mathbb{Z}_2$ TI到$\mathbb{Z}$ TI的若干拓扑相变。最后，我们提出在冷原子中实验探测这些拓扑效应。