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2014年第4期 总第004期 11月
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关联拓扑Kondo绝缘体YbB6和关联拓扑晶体绝缘体YbB12

  拓扑绝缘体是当前凝聚态物理的研究热点之一。这类材料不同于传统的“金属”和“绝缘体”,其体内为有能隙的绝缘态,而表面则是无能隙的金属态。这种金属表面态是由内在电子结构的拓扑性质决定的,受时间反演不变性的保护,因而受缺陷、杂质等外界影响较小。目前发现的和实验研究的拓扑绝缘体大部分是半导体材料,电子间的关联效应很小,理论分析较为简单。而能否在强关联材料体系中发现新的拓扑绝缘体材料,则是非常有意义的物理问题,因为强关联拓扑绝缘体的发现将带来许多全新的理论问题,如不同拓扑有序态之间的拓扑相变、电子-电子相互作用是否能改变电子结构的拓扑指数等等。
  2013年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)凝聚态理论与材料计算实验室T03组在强关联拓扑绝缘体研究方面取得进展,他们利用Gutzwiller变分法结合第一性原理计算研究了典型的混合价态化合物SmB6,指出SmB6是拓扑Kondo绝缘体,并很快得到了许多实验的证实。最近,在物理所的丁洪小组和T03组参与的瑞士PSI实验研究中,利用自旋分辨的角分辨光电子能谱,观测到了SmB6表面态上自旋与晶格动量的锁定关系,为证明理论预言提供了新的有力证据,该工作发表在Nature Communications上【Nat. Comms. 5, 4566(2014)】。
  关联效应还会导致更多的拓扑非平庸量子态。今年翁红明副研究员、方忠、戴希研究员指导博士后赵建洲和博士生王志俊通过LDA+G及LDA+DMFT计算,首次提出关联拓扑晶体Kondo绝缘体,并预言YbB12是实现这类新型拓扑量子态的材料。不同于拓扑绝缘体,拓扑晶体绝缘体是由晶体对称性保护的拓扑态。典型的拓扑晶体绝缘体有SnTe等,由镜面对称操作把属于其本征态的电子能带分成两类,这两类占据态的陈数之差即定义了新的拓扑不变量-镜面陈数。他们的计算结果显示,在YbB12里,由于在时间反演不变动量点X处有偶数个能带反转,所以其拓扑镜面陈数是2。因此在保持镜面对称的表面上,有偶数个(4个)不在时间反演不变动量点的Dirac锥形表面态。LDA+DMFT的计算表明,YbB12的能隙有非常明显的温度依赖关系,是典型的Kondo效应的体现,因此属于由关联效应导致的拓扑晶体Kondo绝缘体。他们还把YbB12与YbB6进行对比研究,发现YbB6与SmB6具有类似的电子结构,也是关联拓扑Kondo绝缘体,但是其关联效应比较弱,更倾向于能带拓扑绝缘体,目前已经有实验观测证实了YbB6的拓扑特性,譬如Sci. Rep. 4, 5999 (2014),arXiv:1405.0165等。
  相关研究得到国家自然科学基金委员会和科技部有关基金的支持。这一研究成果已发表在物理评论快报Phys. Rev. Lett. 112, 016403 (2014)上,并被选为封面文章。

YbB6和YbB12的晶体结构。被选为Phys. Rev. Lett.112卷第一期的封面。
YbB6(左)和YbB12(右)电子结构随温度的演变。前者能隙随温度变化不大,接近能带绝缘体,后者能隙随温度升高关闭,是典型的Kondo绝缘体。
YbB6的(001)和(111)表面态具有奇数个Dirac锥形表面态。YbB12的(001)表面态及其费米面。它有偶数个Dirac锥形表面态。
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