[论文解读] Perfect transmission in rippled topological insulator nanowires

Emmanouil Xypakis, Jun‐Won Rhim+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本文研究了具有空间调制半径和磁通的波纹状拓扑绝缘体纳米线中的完美传输。结果表明，在无缺陷、零掺杂的纳米线中，手征对称性使其处于AIII类，具有Z拓扑不变量，从而在特定磁通值下实现完美传输，该值标志着拓扑相变，而掺杂和无序通过破坏手征对称性并随磁通增加而减小Aharonov-Bohm振荡幅度，抑制了该效应。

ABSTRACT

Topological insulator nanowires with uniform cross section, combined with a magnetic flux, can host both perfectly transmitted mode and Majorana zero modes. Here we consider nanowires with rippled surfaces---specifically, wires with a circular cross section with a radius varying along its axis---and calculate their transport properties. At zero doping, chiral symmetry places the clean wires (no impurities) in the AIII symmetry class, which results in a Z topological classification. A magnetic flux threading the wire tunes between the topologically distinct insulating phases, with perfect transmission obtained at the phase transition. We derive an analytical expression for the exact flux value at the transition. Both doping and disorder breaks the chiral symmetry and the perfect transmission. At finite doping, the interplay of surface ripples and disorder with the magnetic flux modifies quantum interference such that the amplitude of Aharonov-Bohm oscillations reduces with increasing flux, in contrast to wires with uniform surfaces where it is flux-independent.

研究动机与目标

• 理解拓扑绝缘体纳米线中的表面波纹如何影响电子输运和拓扑保护。
• 研究磁通在具有手征对称性的波纹纳米线中调控拓扑相变的作用。
• 确定此类系统中完美传输出现的条件，特别是在相边界处。
• 分析掺杂和无序对完美传输及量子干涉效应鲁棒性的影响。

提出的方法

• 将波纹纳米线建模为具有轴向变化半径的拓扑绝缘体，以诱导表面调制。
• 利用手征对称性分析AIII对称类中的输运，为清洁纳米线建立Z拓扑不变量。
• 推导出拓扑相变发生时临界磁通值的解析表达式。
• 引入有限掺杂和无序以破坏手征对称性，并研究其对输运和Aharonov-Bohm振荡的影响。
• 使用量子干涉理论，研究表面波纹和无序如何改变与磁通相关的振荡幅度。
• 与均匀表面纳米线进行比较，突出波纹系统中独特的磁通依赖行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有手征对称性的无缺陷、波纹状拓扑绝缘体纳米线中，拓扑相变发生在何种磁通值？
• RQ2 在无无序情况下，表面波纹如何影响完美传输的出现？
• RQ3 当通过掺杂或无序破坏手征对称性时，完美传输会发生什么变化？
• RQ4 在波纹与均匀纳米线中，Aharonov-Bohm振荡的振幅如何随磁通变化？
• RQ5 当波纹和无序与磁通共存时，量子干涉在何种程度上改变输运特性？

主要发现

• 在无缺陷、零掺杂的波纹状拓扑绝缘体纳米线中，完美传输恰好发生在对应于拓扑相变的磁通值处。
• 基于AIII类中的Z拓扑不变量，推导出相变临界磁通值的解析表达式。
• 掺杂和无序破坏手征对称性，从而抑制完美传输并破坏拓扑保护。
• 在波纹纳米线中，Aharonov-Bohm振荡的振幅随磁通增加而减小，而均匀纳米线中振幅保持恒定。
• 表面波纹、无序与磁通的相互作用改变了量子干涉，导致振荡幅度的磁通依赖性抑制。
• 在清洁波纹纳米线中，由于手征对称性得以保持，拓扑分类仍为Z，从而在相边界处实现鲁棒输运。