拓扑半金属中的非量子化反常

拓扑半金属是一类新的金属材料，存在于通常对应于绝缘体或具有零 Luttinger 体积的补偿性偶然半金属带的带填充处。它们的金属性源于动量空间与晶体对称性的非平庸拓扑，其中拓扑电荷可被赋予点状能带接触节点，阻止能隙打开，除非保护性的晶体对称性被破坏。然而，这些拓扑电荷是由非相互作用的能带本征态定义的，这就提出了拓扑半金属的物理学可能被电子-电子相互作用定性地修正的可能性。在此我们提出以下问题：是什么使得拓扑半金属超越能带理论而呈现非平庸？或者，强电子-电子相互作用能否在不破坏保护性对称性或不引入拓扑序的情况下，在拓扑半金属中打开能隙？我们证明答案通常是否定的，而阻止它的是其拓扑响应，或量子反常。虽然在磁性 Weyl 半金属的情形中这已为人熟知，其拓扑响应以反常霍尔效应的形式出现，但在其他类型拓扑半金属中的类似响应则更为微妙，并涉及晶体对称性以及电磁规范场。在物理上，这些响应可被探测为在某些规范缺陷上诱导的分数对称性电荷。我们详细讨论了 I 型 Dirac 半金属和时间反演不变的 Weyl 半金属的情形。对于 I 型 Dirac 半金属，我们还表明，若 Dirac 节点的动量满足某些例外条件，该反常会以非平庸的方式消失。