基于对称性的统一 —— 轨道活性蜂窝系统

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Citation

Orbital-active Dirac materials from the symmetry principle

Shenglong Xu & Congjun Wu*

Quantum Frontiers 1, 24 (2022)  

https://link.springer.com/article/10.1007/s44214-022-00025-7

研究背景

电子除了电荷、自旋之外，还存在着轨道自由度。轨道和其他自由度之间的相互作用是凝聚态物理的核心内容，也是关联拓扑物态的研究要素。本文研究的是具有轨道活性（轨道简并）的蜂窝晶格体系，和单层石墨烯有根本的不同。石墨烯的每个碳原子只有一个活跃的的轨道，不具有轨道活性。本文在作者之一的以往工作基础上(以Phys. Rev. Lett. 99, 70401 (2007) 和Phys. Rev. Lett. 101, 186807 (2008) 为代表),  将其推广到各类轨道，并建立统一理解此类体系中拓扑和关联物理的基本框架。

研究亮点

此项工作的出发点是对称性原理，超越了具体的材料，从而有很大的普适性。它适用于以铋烯、锡烯、光晶格为代表的(  , )轨道系统，以过渡金属化合物为代表的( , ) 轨道系统、( , )轨道系统、以及轨道系统，也适用于有相应对称性的分子团簇轨道系统。这些系统表现出和单层石墨烯非常不同的能带结构以及拓扑性质，可以在相同的对称性框架下获得统一的处理。

研究进展

     西湖大学吴从军教授和Texas A&M大学徐盛隆研究助理教授研究轨道活性的蜂窝晶格系统，其中简并的轨道构成了格点对称群(或与其等价的)的非平庸表示。不同的材料可以有不同的轨道实现，但是都体现出类似而奇妙的能带结构，包括平带和狄拉克带，以及它们之间的平方接触。这些都可以被相同的对称性所统一。

在平带（窄带）体系中，电子的动能被压制，其关联效应被放大，表现出典型的强关联物理性质，包括Wigner晶格、轨道序、平带铁磁等。系统中的Dirac能带波函数，具有丰富的轨道结构，提供了一个不同于sp能带反转的拓扑能隙生成新机制。这可以为新型量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应材料的设计提供引导。

图文导读

轨道活性蜂窝格子系统的能带包括了底下和顶上的两个平带，以及中间的Dirac能带。平带波函数通过干涉相消可以组合成局域本征态。针对于不同轨道实现，局域本征态波函数的空间分布如图所示：(a) ( , )和( , ) 轨道，(b)( , )轨道，(c)轨道。虽然轨道各有不同，它们都围绕着一个六边形分布。此类系统的平带强关联物理包括Wigner晶体，平带铁磁，自发生成的反常量子霍尔效应态，和轨道角动量八级矩等。

Dirac点和Γ点处，在计入自旋轨道耦合后，拓扑能隙被打开。图中所示为自旋向上的电子在布里渊区内高对称点(Γ,K,)上的轨道位形。它们都是原子轨道角动量的本征态，这使得固体的拓扑能隙等价于原子内部的能级差，也就是原子内的自旋轨道耦合强度。

作者简介

第一作者

徐盛隆 研究助理教授

Texas A&M大学物理与天文系

主要研究方向

• 计算量子物理，量子系统与统计物理，强关联电子体系。

• Email: [e-mail]
  

通讯作者

吴从军 教授

西湖大学理学院物理系及理论研究院

主要研究方向

• 探索物质的新状态以及其背后的组织原则，其研究方向包括量子磁性、超导、拓扑物态、数学物理，和量子蒙特卡洛数值模拟等。

主要研究成果

• 曾任加州大学San Diego分校物理系教授（2007-2021），于2021年全职加入西湖大学。‍

• 2018年当选为美国物理学会会士，2008年获得斯隆研究奖、海外华人物理学会杰出青年科学家奖。

• Email: [e-mail]

往期回顾

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