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  • 拓扑绝缘体的神奇世界(1)

    作者:卢海昌 来源:环球科学 时间:2018-12-07 09:16 阅读:6956 [投稿]
    拓扑绝缘体是凝聚态物理近几年的热点。这些材料拥有奇异的物理效应,即表面导电但是内部绝缘。

    无数个共价键形成的成键态和反键态构成连续的能带(能谱)。一般成键态被电子占据形成价带(满带),而反成键态未被电子占据形成导带(空带)。在绝缘体或半导体中,电子的满带和空带在能量上是分开的。它们之间的gap叫能隙(band gap)。如果我们对一个系统的Hamilton量进行连续的、绝热的调制,这不会改变这个系统的拓扑空间的性质。这个调制的过程可以理解为对一个闭合曲面进行压缩,扭曲等形变。在这个过程中,绝缘体的能隙不会闭合,即 band gap 不会在某一时刻变为0。任何普通绝缘体(拓扑平凡)都可以通过这个调制过程变成真空。根据Dirac电子海的观点,真空就是普通绝缘体,价带是正电子所填满的负能态。


    真空:Dirac认为真空中的扰动会产生正反电子对,如同绝缘体中电子从价带跃迁到导带,形成电子空穴对一样。

    并不是所有绝缘体都是拓扑平凡的。拓扑绝缘体便不能通过上面所说的调制过程变成真空,它们必须发生拓扑相变才能变成真空。不关闭能隙的操作不会发生拓扑相变,所以发生拓扑相变时,能隙必然是闭合的。拓扑绝缘体的表面是真空和拓扑绝缘体内部的分界面。在内部,拓扑空间是非平凡的,在真空,拓扑空间是平凡的,那么在分界面处一定发生了拓扑相变。因此表面处能带是闭合的,没有能隙,电子可以直接进入导带,在表面上自由移动。而在内部,能隙依然存在。所以拓扑绝缘体表面导电但是内部绝缘。 

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    18765948076:(2018-12-07)