[논문 리뷰] Anomalous and normal dislocation modes in Floquet topological insulators

Tanay Nag, Bitan Roy|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 22.

Topological Materials and Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 구동되는 양자 시스템에서의 결함, 즉 비틀림 결함이 플로케트(topological) 절연체에서 정상(topological) 및 이방성(anomalous) topological 모드를 수용할 수 있음을 보여준다. 이 중 정상 모드는 플로케트 밴드의 중심에 국소화되고, 이방성 모드는 경계에 국소화된다. 2D 카이너 절연체와 px+ipy 초전도체를 이용하여, 이러한 모드가 전하를 띤 양성광자와 중성 마요라나 Fermion에 의해 운반됨을 보이며, 초냉각 기체, 광학 시스템 및 양자 결정에서의 topological 상을 결함 기반으로 탐지할 수 있음을 제시한다.

ABSTRACT

Electronic bands featuring nontrivial bulk topological invariant manifest through robust gapless modes at the boundaries, e.g., edges and surfaces. As such this bulk-boundary correspondence is also operative in driven quantum materials. For example, a suitable periodic drive can convert a trivial insulator into a Floquet topological insulator (FTI) that accommodates nondissipative dynamic gapless modes at the interfaces with vacuum. Here we theoretically demonstrate that dislocations, ubiquitous lattice defects in crystals, can probe FTIs as well as unconventional $π$-trivial insulator in the bulk of driven quantum systems by supporting normal and anomalous modes, localized near the defect core. Respectively, normal and anomalous dislocation modes reside at the Floquet zone center and boundaries. We exemplify these outcomes specifically for two-dimensional (2D) Floquet Chern insulator and $p_x+ip_y$ superconductor, where the dislocation modes are respectively constituted by charged and neutral Majorana fermions. Our findings should be therefore instrumental in probing Floquet topological phases in the state-of-the-art experiments in driven quantum crystals, cold atomic setups, and photonic and phononic metamaterials through bulk topological lattice defects.

연구 동기 및 목표

• 주기적으로 구동되는 양자 시스템에서 격자 결함, 예를 들어 비틀림 결함이 topological 상을 탐지하는 데 어떻게 활용될 수 있는지 탐구하기.
• 플로케트 topological 절연체에서 발생하는 별개의 비틀림 결함 모드—정상 및 이방성 모드—를 식별하고 특성화하기.
• 구동되는 2D 시스템에서 비틀림 결함이 비틀림이 없는 상과 비틀림이 있는 상 둘 다를 탐지하는 데 어떻게 기능하는지 규명하기.
• 비틀림 결함을 통한 px+ipy 초전도체에서의 마요라나 Fermion 모드와 카이너 절연체에서의 전하를 띤 모드의 존재를 입증하기.
• 냉각 기체, 광학 및 진동 시스템에서의 플로케트 topological 상을 실험적으로 탐지하기 위한 이론적 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 주기적으로 구동되는 2D 플로케트 카이너 절연체와 px+ipy 초전도체의 이론적 분석.
• 구동 시스템을 모델링하고 topological 불변량을 식별하기 위해 효과적 플로케트 해밀토니안 사용.
• 비틀림 결함이 포함된 타이트바인드 모델을 이용한 비틀림 핵 상태의 수치적 및 해석적 연구.
• 플로케트 밴드의 중심(정상 모드)과 경계(이방성 모드)에서 모드 국소화 식별.
• p_x+ip_y 초전도체에서 비틀림 모드를 마요라나 Fermion으로, 카이너 절연체에서의 비틀림 모드를 전하를 띤 Fermion으로 매핑.
• 구동 시스템의 결함에 기반한 표면-내부 대응 원리 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동되는 양자 시스템에서의 비틀림 결함이 표면 상태와 구별되는 topologically 보호된 모드를 수용할 수 있는가?
• RQ2 플로케트 밴드의 구조와 비틀림 모드의 국소화 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 정상 및 이방성 비틀림 모드는 에너지 위치와 topological 보호 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ4 특정 플로케트 topological 시스템에서 이러한 비틀림 모드를 실현하는 쿼라파article는 전하를 띤 것인지, 중성인가?
• RQ5 격자 결함이 초냉각 기체, 광학 및 진동 시스템에서의 플로케트 topological 상을 실험적으로 접근 가능한 탐지 수 Mittel로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 플로케트 topological 절연체에서의 비틀림 결함은 두 가지 별개의 topological 모드를 수용한다: 플로케트 밴드 중심에 국소화된 정상 모드와 밴드 경계에 국소화된 이방성 모드.
• 정상 비틀림 모드는 부스러기 밴드와 동일한 topological 불변량에 의해 보호되어 지역적 외란에 대해 안정하다.
• 이방성 비틀림 모드는 플로케트 밴드의 경계에 나타나며, 결함에 기반한 표면-내부 대응 원리의 일반화된 적용에 대한 붕괴를 시사한다.
• 2D 플로케트 카이너 절연체에서는 비틀림 모드가 전하를 띤 Fermion에 의해 운반되며, px+ipy 초전도체에서는 중성 마요라나 Fermion에 의해 실현된다.
• 이러한 모드의 존재는 물리적 표면이 없더라도 구동 시스템의 부스러기에서 topological 오더의 직접적 징후를 제공한다.
• 이 이론적 프레임워크는 냉각 기체, 광학 결정 및 진동 메타물질에서 결함 공학을 통해 플로케트 topological 상을 실험적으로 탐지할 수 있도록 한다.