[论文解读] Topological phases of amorphous matter

Adolfo G. Grushin|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2020

Theoretical and Computational Physics参考文献 110被引用 5

一句话总结

该论文表明，此前被认为需要晶体序的拓扑物相可在非晶体系中稳健存在，证明了在缺乏平移对称性的情况下，拓扑不变量和受保护的边缘态依然存在。论文回顾了理论框架，实验实现了在非晶铋族硫属化物及合成平台（如耦合陀螺仪和光子晶格）中的拓扑物相，并提出非晶拓扑物质可实现新的拓扑物相并增强鲁棒性，例如在非晶超导体中。

ABSTRACT

Topological phases of matter are often understood and predicted with the help of crystal symmetries, although they don't rely on them to exist. In this chapter we review how topological phases have been recently shown to emerge in amorphous systems. We summarize the properties of topological states and discuss how disposing of translational invariance has motivated the surge of new tools to characterize topological states in amorphous systems, both theoretically and experimentally. The ubiquity of amorphous systems combined with the robustness of topology has the potential to bring new fundamental understanding in our classification of phases of matter, and inspire new technological developments.

研究动机与目标

• 证明尽管缺乏平移对称性，拓扑物相仍可在非晶体系中存在。
• 回顾用于表征无序、非晶体系中拓扑不变量的理论工具。
• 总结在非晶铋族硫属化物和合成平台中实现拓扑态的实验成果。
• 探索在非晶晶格中发现晶体中所禁止的新拓扑物相的潜力。
• 推动拓扑与非晶物质的结合，以开发新型量子材料和器件。

提出的方法

• 通过局域拓扑不变量和非局域不变量（如多体陈数）将拓扑能带理论拓展至非晶体系。
• 基于真实空间原子构型，采用具有无序跃迁的紧束缚模型，模拟非晶拓扑绝缘体。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）和自旋分辨ARPES探测非晶Bi2Se3中的表面态。
• 应用基于对称性的分类方法（如时间反演对称性、空间反演对称性）识别非晶体系中的拓扑物相。
• 利用合成平台（如耦合陀螺仪和光子晶格）工程化非互易耦合，实现手性边缘模式。
• 在非晶和光子晶格中引入Weaire-Thorpe模型，实现在无周期性条件下的拓扑能带隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏平移对称性的非晶体系中，拓扑不变量和受保护的边缘态是否仍能存在？
• RQ2 表征无序、非晶晶格中拓扑序所需的新型理论工具是什么？
• RQ3 如何在非晶固体（如非晶Bi2Se3）中实验探测拓扑物相？
• RQ4 合成系统（如耦合陀螺仪或光子晶格）是否可在无晶体序的情况下实现拓扑物相？
• RQ5 是否存在仅在非晶晶格中才能存在的拓扑物相（如高阶或超导物相）？

主要发现

• 非晶Bi2Se3表现出具有能隙和交叉点的狄拉克表面态，与拓扑表面狄拉克锥一致，经ARPES和自旋分辨ARPES验证。
• 非晶Bi2Se3中的表面态表现出自旋极化、相反自旋投影，类似于晶体Bi2Se3中的行为，表明其具有稳健的拓扑保护。
• 合成陀螺阵列展示了单向传播的手性边缘模式，实验实现了无周期性的非晶晶格中的拓扑物相。
• 基于Weaire-Thorpe模型的光子晶格实现了显著的光子带隙，并可通过调控打破时间反演对称性，实现拓扑陈数绝缘体物相。
• 通过在Rashba超导表面随机分布磁性杂质，可能实现非晶拓扑超导，为实现拓扑超导提供了新途径。
• 非晶铋的超导转变温度达6 K，较其晶体形式提高104倍，表明其具有增强的拓扑超导潜力。