三维狄拉克半金属及无无能隙边缘模的广义量子自旋霍尔系统的拓扑

通常量子自旋霍尔态预期具有无能隙的螺旋边缘模。是否存在无无能隙边缘模的洁净、非相互作用量子自旋霍尔态？我们证明三维稳定狄拉克半金属的具有 $n$ 重对称的通用动量平面（垂直于节点分离方向）就是此类广义量子自旋霍尔系统的例子。我们证明位于两个狄拉克点之间的平面以及著名的 Bernevig-Zhang-Hughes 模型支持大小均为 $2 \pi$ 的量子化非阿贝尔 Berry 通量。因此，两个系统在响应电磁 $\pi$-磁通涡旋时都表现出自旋电荷分离。狄拉克点被识别为 $SO(5)$ Berry 联络的单位强度单极子，描述了广义量子自旋霍尔绝缘体与平庸绝缘体之间的拓扑量子相变。我们的工作确定了狄拉克半金属的精确体不变量和量子化响应，并表明许多二维高阶拓扑绝缘体可理解为具有能隙边缘态的广义量子自旋霍尔系统。