具有时空反演对称性的二维系统中的非常规拓扑相变

我们研究了具有时间反演和二重旋转对称性的二维（2D）系统中，普通绝缘体与量子自旋霍尔绝缘体之间的拓扑相变。与普通时间反演不变系统中通常预测两个绝缘体之间发生直接相变的情况相反，我们发现具有额外二重旋转对称性的系统中的拓扑相变，是由两个绝缘体之间涌现的稳定二维 Weyl 半金属相介导的。这里起核心作用的是所谓的时空反演对称性，即时间反演与二重旋转对称性的组合，它保证了即使存在强自旋轨道耦合，围绕二维 Weyl 点的 Berry 相位也是量子化的。伴随不同 Weyl 点对之间伙伴交换的对产生/对湮灭，引起了二维 $Z_{2}$ 拓扑不变量的跃变，从而导致拓扑相变。根据我们的理论，HgTe/CdTe 量子阱结构中的拓扑相变是由稳定的二维 Weyl 半金属相介导的，因为本质上缺乏反演对称性的量子阱在生长方向上具有二重旋转对称性。也就是说，HgTe/CdTe 量子阱在普通绝缘体和量子自旋霍尔绝缘体之间的 HgTe 层厚度的一个小但有限的区间内，可以表现出二维 Weyl 半金属行为。我们还提出，在垂直电场下的少层黑磷是观察由时空反演对称性保护的、伴随涌现二维 Weyl 半金属相的非常规拓扑相变机制的另一个候选系统。