拓扑相中热力学特征的普适性

拓扑绝缘体（超导体）是在绝缘（超导）体中承载对称性保护金属边缘态的材料。尽管人们对它们已有充分理解，但这些材料的热力学描述仍然难以捉摸，首先因为边缘对热力学势给出非广延贡献，其次因为拓扑场论涉及非局域序参量，且无法被 Ginzburg-Landau 形式所捕捉。最近，这一挑战已被克服：通过使用 Hill 热力学描述二维 Bernevig-Hughes-Zhang 模型，证明了在拓扑相变时，由于边界效应，热力学势不按广延量标度。在此，我们将此方法推广到零温度下不同维度的各种拓扑模型（一维的 Kitaev 链和 Su-Schrieffer-Heeger 模型，二维的 Kane-Mele 模型以及三维的 Bernevig-Hughes-Zhang 模型）。令人惊讶的是，所有模型在拓扑相变的阶数上表现出相同的普适行为，这取决于维度。此外，我们利用这种热力学描述推导了有限温度下的拓扑相图，并表明它与从 Uhlmann 相计算得到的相图吻合良好。我们的工作揭示了意想不到的普适性，并为具有非局域序参量的系统的热力学描述开辟了道路。