[论文解读] Crystalline Weyl semimetal phase in Quantum Spin Hall systems under magnetic fields
本文提出在面内磁场作用下的量子自旋霍尔（QSH）系统中存在一种新颖的拓扑相变，其中在拓扑绝缘体与平凡绝缘体相之间出现晶体外尔半金属（CWSM）相。该CWSM相受粒子--hole对称性和镜像对称性保护，即使在粒子- hole对称性破缺的情况下，仍能实现非传统的拓扑相变，如凯恩-梅勒和BHZ模型所示。
We investigate an unconventional topological phase transition that occurs in quantum spin Hall (QSH) systems when applying an external in-plane magnetic field. We show that this transition between QSH and trivial insulator phases is separated by a stable topological gapless phase, which is protected by the combination of particle-hole and reflection symmetries, and thus, we dub it as crystalline Weyl semimetal. We explore the stability of this new phase when particle-hole symmetry breaking terms are present. Especially, we predict a robust unconventional topological phase transition to be visible for materials described by Kane and Mele model even if particle-hole symmetry is significantly broken.
研究动机与目标
- 研究旨在理解面内磁场下QSH系统中非传统的拓扑相变。
- 研究晶格对称性稳定下的无能隙拓扑相的出现。
- 目标包括分析当粒子- hole对称性被破坏时，该相的稳定性。
- 探讨该相在真实材料及拓扑电路等替代平台中观测的可行性。
- 研究在粒子- hole对称性破缺系统中，特别是凯恩-梅勒模型中，拓扑相变的鲁棒性。
提出的方法
- 作者使用凯恩-梅勒模型和伯内维格-休斯-张（BHZ）模型来描述六角和正方晶格上的QSH系统。
- 通过在粒子- hole对称性和镜像对称性下分析体相哈密顿量的拓扑不变量。
- 通过引入Zeeman项来模拟面内磁场的影响，从而破缺时间反演对称性。
- 通过添加粒子- hole对称性破缺项（如质量项和次近邻跃迁）来测试晶体外尔半金属相的稳定性。
- 通过体相哈密顿量的一维傅里叶变换，在纳米带和有限条带上进行能谱的数值计算。
- 研究考虑将拓扑电路作为模拟粒子- hole对称系统并实验测试相变的平台。
实验结果
研究问题
- RQ1在面内磁场作用下，QSH系统中是否会出现晶体外尔半金属相，其受何种对称性保护？
- RQ2在磁场存在下，QSH与平凡绝缘体相之间的拓扑相变与传统相变有何不同？
- RQ3当粒子- hole对称性被破坏时，晶体外尔半金属相的稳定性如何？
- RQ4在凯恩-梅勒模型中，粒子- hole对称性破缺扰动下，该非传统拓扑相变的鲁棒性如何？
- RQ5该相是否可被实验观测到，以及拓扑电路等替代平台在其实现检测中可能发挥什么作用？
主要发现
- 在面内磁场作用下，QSH与平凡绝缘体相之间出现稳定的晶体外尔半金属相，受粒子- hole对称性和镜像对称性保护。
- 该相变为非传统，因其在参数空间中跨越一个有限范围发生，而非在单一能隙闭合点。
- 晶体外尔半金属相中存在稳健的外尔节点，即使在粒子- hole对称性破缺时仍保持稳定。
- 由于粒子- hole对称性与一个可对易的镜像对称性共同作用，边缘态的拓扑保护得以维持。
- 即使在显著破坏粒子- hole对称性的情况下，该相变在凯恩-梅勒模型中仍保持鲁棒，表明其具有强拓扑鲁棒性。
- 在真实材料中，需要高达10^3–10^4 T的强磁场才能进入CWSM相，提示拓扑电路是可行的实验替代方案。
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