[論文レビュー] Edge physics in two-dimensional topological insulators

Giacomo Dolcetto, Maura Sassetti+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 155被引用数 41

ひとこと要約

本稿は、時間反転対称性によって保護されるヘリカルエッジ状態と、電子相互作用下でのその輸送特性に注目した、二次元トポロジカル絶縁体のエッジ物理学をレビューする。ヘリカルLuttinger液体が、非摂動的導電率からの逸脱を引き起こす散乱メカニズムを説明する主要な理論的枠組みであることが確立されており、最近の実験的観測により、2次元TIsにおけるトポロジカルに保護されたエッジ状態の非フェルミ液体的挙動が確認された。

ABSTRACT

Topology in condensed matter physics manifests itself in the emergence of edge or surface states protected by underlying symmetries. We review two-dimensional topological insulators whose one-dimensional edge states are characterized by spin-momentum locking and protected by time-reversal symmetry. We focus in particular on their transport properties in the presence of electron interactions, which can allow the onset of different backscattering mechanisms, thus leading to deviations from the quantized conductance observed in the ballistic regime. The combined presence of helicity and electron interactions creates a new paradigm of the one-dimensional world called helical Luttinger liquid, whose theoretical properties and experimental observations are reviewed.

研究の動機と目的

• 2次元トポロジカル絶縁体におけるヘリカルエッジ状態の電子相互作用下での輸送挙動を理解すること。
• 電子相互作用が理想化されたバルク状態の導電率を破壊し、新たな多体物理学を引き起こす仕組みを分析すること。
• 2次元TIsにおけるヘリカルLuttinger液体相の同定に関する理論的および実験的進展をレビューすること。
• 不純物、Umklapp過程、電子-格子振動結合、Kondo効果など、さまざまな散乱メカニズムがエッジ状態の性質をどのように変化させるかを検討すること。
• 量子点接触および単一電子源を用いたトポロジカルエッジ状態における電子量子オプティクスプラットフォームの実現可能性を評価すること。

提案手法

• 2次元TIsにおけるバルクバンド構造およびヘリカルエッジ状態の出現を記述するためのBHZモデルの理論的分析。
• スピン-運動量ロックと電子-電子相互作用を考慮した1次元ヘリカルエッジ状態のモデリングにLuttinger液体理論を適用すること。
• 弱いおよび強い結合領域における単一不純物散乱、Umklapp過程、非弾性2粒子逆散乱の調査。
• 電子-格子振動結合、Kondo不純物、電荷プールを逆散乱の原因として持つ、1粒子非弾 性過程の分析。
• 量子点接触（QPC）を用いた干渉計的構成を検討し、ヘリカルエッジ状態における量子干渉および動的位相制御をプローブすること。
• 2次元TIsにおける電子量子オプティクスを可能にする単一電子源の構造的提案および実現事例のレビュー。これにより、単一粒子干渉実験が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子相互作用は、2次元トポロジカル絶縁体におけるヘリカルエッジ状態の輸送特性をどのように変化させるか？
• RQ2 ヘリカルエッジ状態における主要な逆散乱メカニズムは何か？ それらは量子化された導電率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 相互作用がどのようにヘリカルLuttinger液体の出現を引き起こし、その相は実験的にどのように検出可能か？
• RQ4 量子点接触および干渉計は、ヘリカルエッジ状態のトポロジカル性および多体的性質をどのようにプローブできるか？
• RQ5 単一電子源およびコherentトンネルを用いた2次元TIsにおける電子量子オプティクスの実現可能性はいかがなものか？

主な発見

• 2次元トポロジカル絶縁体におけるヘリカルエッジ状態は、時間反転対称性によって保護され、スピン-運動量ロックにより一様な1次元伝導チャネルが確保される。
• これらの1次元系における電子相互作用は、分数化励起を示す非フェルミ液体状態であるヘリカルLuttinger液体の形成を引き起こす。
• クリーンな状態ではトポロジカル保護により逆散乱が抑制されるが、相互作用および不純物の影響により、導電率の量子化からの逸脱が生じる。
• ヘリカルLuttinger液体の実験的証明が得られており、これらの系におけるフェルミ液体の破綻が確認された。
• 量子点接触を用いた干渉計的構成により、動的位相の制御と量子干渉の観測が可能であり、任意ons統計や分数化の検出の可能性を秘めている。
• 2次元TIsにおける単一電子源の理論的提案および初期の実現が、電子量子オプティクスおよび単一粒子干渉実験への道筋を切り開いた。