[论文解读] Hidden excitonic quantum states with broken time-reversal symmetry

G. Mazza, Marco Polini|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

该论文提出一种通过设计圆柱形几何结构来稳定二维材料中隐藏的时间反演对称性破缺（TRSB）激发子量子态的机制，该机制实现了激发子序参量与自生规范势之间的耦合。当圆柱半径达到临界值时，系统从电荷密度波态转变为具有持续环流的TRSB态，该转变由拓扑约束和自生通量驱动，为分离激发子相变与结构相变提供了新途径。

ABSTRACT

The spontaneous breaking of time-reversal symmetry due to purely-orbital mechanisms (i.e.~not involving spin degrees of freedom) yields extremely exotic phases of matter such as Chern insulators and chiral superconductors. In this Letter, we show that excitonic insulators, by exploiting the transition from the excitonic ground state to a purely-orbital time reversal symmetry broken hidden state, can realize another notable example of this class. The transition to the hidden state is controlled by engineered geometrical constraints which enable the coupling between the excitonic order parameter and the free-space electromagnetic field. These results pave the way towards exotic orbital magnetic order in quantum materials and are also relevant for disentangling excitonic phase transitions from trivial structural ones.

研究动机与目标

• 识别一种在无自旋自由度的情况下稳定激发子绝缘体中隐藏的时间反演对称性破缺（TRSB）量子态的机制。
• 证明纯粹轨道的TRSB态可通过二维材料中的拓扑约束出现，避免依赖外磁场或自旋相互作用。
• 通过几何受限手段提供一种可控路径，以区分激发子相变与平凡结构相变。
• 表明在圆柱形几何中自生磁通可实现具有持续环流的稳定TRSB激发子态。
• 建立一个实验可探测和调控激发子相变的框架，通过外部磁通和几何调控实现。

提出的方法

• 在具有正方晶格势和每胞元两个原子的二维系统中建模，使用杨氏型原子势来设计能带结构，使s轨道和p±轨道能带在费米能级附近重叠。
• 利用Wannier函数将单粒子哈密顿量映射为紧束缚形式，确保由于对称性导致s与p±轨道之间局域杂化的消失。
• 在自旋单重态通道中引入激发子不稳定性，导致基态可为电荷密度波（CDSB）或时间反演对称性破缺（TRSB）态，具体取决于几何形状。
• 对系统施加圆柱形边界条件，强制产生与激发子序参量耦合的自生磁通，从而稳定TRSB态。
• 采用变分法求解激发子序参量与规范势的耦合方程，表明当半径超过临界值时TRSB态在能量上更占优。
• 利用Aharonov-Bohm效应和磁通穿刺实现CDSB与TRSB态之间的可调转换，证明可通过外部磁通实现调控。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无自旋轨道耦合或外磁场的条件下，在二维材料中稳定一种纯粹轨道的时间反演对称性破缺（TRSB）激发子态？
• RQ2 几何约束（如圆柱形限制）如何诱导从电荷密度波（CDSB）态向具有持续环流的TRSB态的转变？
• RQ3 自生磁通在稳定TRSB激发子相中起什么作用？其与外加磁场有何不同？
• RQ4 TRSB态能否在实验上与结构相变相区分？其在电荷密度和电流分布中留下何种特征信号？
• RQ5 激发子态的能量景观如何依赖于系统的拓扑与尺寸，特别是在有限与无限二维几何中的差异？

主要发现

• 存在一个临界圆柱半径L*，当半径超过该值时，基态从电荷密度波（CDSB）态转变为具有持续环流的时反对称性破缺（TRSB）态。
• TRSB态由无法通过规范变换消除的自生磁通稳定，该磁通使系统能量低于CDSB态。
• 通过外部磁通可调控该相变，外部磁通控制CDSB与TRSB相之间的能量势垒，实现实验可访问性。
• 在大圆柱半径极限下（L/ℓ₀ → ∞），抗磁和顺磁电流相互抵消，导致表面电流密度趋于零的TRSB态。
• 圆柱形几何在拓扑上不同于无限二维平面，因为后者无法支持有限的自生磁通，原因在于规范势发散且磁能无限大。
• TRSB激发子态具有电荷对称性，因此预期与晶格畸变无直接耦合，为分离激发子相变与结构相变提供了可能路径。