[论文解读] Surface chiral metal in a bulk half-integer quantum Hall insulator

J. Y. Liu, Jinling Yu+23 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究首次在拓扑半金属 BaMnSb2 中观测到体相的半整数量子霍尔效应，其中极端量子极限在表面稳定了二维手征金属，代表了一种此前在体单晶中未见的新型拓扑量子液体态。

ABSTRACT

The study of the quantum Hall effect (QHE) in two-dimensional (2D) systems such as 2D electron gases and graphene has led to important breakthroughs in the development of many new concepts in modern physics. Although the QHE is not generally expected for bulk materials due to the band dispersion along the magnetic field direction, a bulk QHE has been observed in several materials. Here, we report on the observation of a unique bulk half-integer QHE in a topological semimetal BaMnSb2. In the extreme quantum limit, its quantum Hall state is accompanied by a 2D chiral metal at the surface, which represents a novel topological quantum liquid, not previously observed in bulk single crystal materials.

研究动机与目标

• 研究在传统二维体系之外的体拓扑半金属中量子霍尔效应的出现。
• 探索在极端量子条件下，拓扑表面态是否能容纳手征金属。
• 确定体材料是否能在沿磁场方向具有能带色散的情况下维持半整数量子霍尔态。
• 识别并表征体单晶中一种新型拓扑量子液体相。

提出的方法

• 施加高磁场以在单晶 BaMnSb2 中实现极端量子极限。
• 测量纵向和横向电阻以探测量子霍尔平台。
• 利用角度分辨输运测量探测表面态的贡献。
• 分析体量子霍尔态中的 Landau 能级量子化及手征边缘态。
• 通过输运各向异性和量子化霍尔电导率识别手征表面态。
• 将观测到的霍尔电导率与拓扑半金属中半整数量子霍尔效应的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 体拓扑半金属是否即使存在三维能带色散，也能表现出半整数量子霍尔效应？
• RQ2 表面态在极端量子条件下稳定手征金属的过程中起什么作用？
• RQ3 所观测到的量子霍尔态是否包含一种此前在体材料中未实现的新型拓扑量子液体？
• RQ4 在体半整数量子霍尔效应的背景下，手征表面金属如何产生？
• RQ5 表面态的拓扑性质及其与体量子霍尔响应的关系是什么？

主要发现

• 在高磁场下，单晶 BaMnSb2 中观测到体半整数量子霍尔效应。
• 该量子霍尔态伴随有表面的二维手征金属，表明存在一种新型拓扑量子液体。
• 即使体材料为绝缘体，手征表面金属依然存在，表明具有拓扑保护性。
• 霍尔电导率的半整数量子化表明体中存在非平凡的拓扑不变量。
• 表面手征金属具有鲁棒性，且与二维体系中的传统边缘态明显不同。
• 该体系实现了一类新型拓扑量子物质，其中体与表面态以量子化、手征的方式共存。