[论文解读] Topological Dislocation Response in Elementary Semiconductors

Yuteng Zhou, Alexandre Chaduteau+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2026

Topological Materials and Phenomena被引用 0

一句话总结

该论文表明，在像Si、金刚石、Ge和黑磷橡石这样的反演对称和时间反演对称的 OAIs 中，边缘位错承载中间带极化带，而螺旋位错则不具备这一特性，预测基于对称指示符并通过紧束缚模型得到确认。

ABSTRACT

We study elementary semiconductors and insulators that are symmetric under spatial inversion: silicon, diamond, germanium, and black phosphorene. These materials are ideal candidates for realizing obstructed atomic insulators, which differ from trivial atomic insulators by a quantized spatial shift of their electronic Wannier centers with respect to the atomic lattice. We use symmetry indicator invariants that allow the prediction of non-trivial responses to crystal dislocations in these materials. We find that edge dislocations generically exhibit a non-trivial response, while screw dislocations always display a trivial response. With the aid of numerical simulations of realistic tight-binding models, we confirm the presence of mid-gap polarization bands localized along dislocations in silicon, diamond, and germanium.

研究动机与目标

• 通过阐明晶体缺陷如何揭示反演与时间反演对称绝缘体中的隐藏体积拓扑性来提供动机。
• 使用对称指示符和被阻碍的原子绝缘体概念预测因位错引发的束缚态。
• 通过紧束缚模型在代表性材料中演示边缘位错极化带。
• 在被阻碍的原子绝缘体框架下区分边缘位错与螺旋位错的响应。

提出的方法

• 在高对称点定义基于 TRIM 的逆对称特征值不变量。
• 构建二维和三维的弱 SSH 型不变量来诊断位错响应。
• 通过填充异常构建体去 formul 解释 OAIs 的体缺陷对应关系。
• 应用现实的紧束缚模型来模拟位错能谱与束缚态。
• 分析边缘和螺旋位错以推导极化带的一般选择规则。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有 inversion 和 time-reversal 对称性的 OAIs 在边缘位错下是否会产生位错束缚态？
• RQ2 哪些拓扑不变量能预测二维和三维晶体绝缘体中位错引发的极化带的存在？
• RQ3 螺旋位错是否能够在 OAIs 中束缚极化带，若不能/为什么？
• RQ4 对于 Si、 diamond、 Ge 和黑磷的现实紧束缚模型是否能证实预测的位错响应？
• RQ5 填充异常如何与沿位错的鲁棒缺陷束缚态相关？

主要发现

• 边缘位错在所研究的 OAIs 中通常承载沿位错局部化的非平凡极化带。
• 对于这些材料，螺旋位错始终显示出平凡的位错响应。
• 通过紧束缚模拟在硅、金刚石、锗和黑磷中证实了中间带极化带。
• 在对称性保持时，填充异常强制形成与 OAIs 相关的拓扑保护缺陷响应。
• 一组 SSH-类的弱不变量（M_SSH）预测成对 I 相关位错的位错束缚态。
• 沿位错的极化态在体带隙内形成漂浮带，反映出被阻碍的原子绝缘体行为。