[论文解读] Transport signatures of symmetry protection in one-dimensional topological insulators

Oleksandr Balabanov, Henrik Johannesson|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本文通过分析非平衡格林函数下的透射谱，提出了一种基于输运的检测方法，用于探测一维拓扑绝缘体中受对称性保护的边缘态。结果表明，即使在时变驱动或边界扰动下，手征对称性保护仍表现为稳健的能隙中间透射峰，为有限系统中拓扑鲁棒性的直接实验信号提供了依据。

ABSTRACT

Topological insulators are identified as systems where a gapped bulk supports in-gap edge states, protected against symmetry-preserving local perturbations. In one dimension the robustness of the edge states shows up as a pinning of their energy levels in the middle of the bulk band gap. Here we propose a scheme for probing this unique feature by observing transport characteristics of a one-dimensional finite-sized topological insulator attached to external leads. We present predictions for transmission spectra using a nonequilibrium Green's function approach. Our analysis covers both time-independent and periodically driven (Floquet) topological insulators, with time-independent and periodically driven boundary perturbations which either preserve or break the protecting chiral symmetry.

研究动机与目标

• 识别一维拓扑绝缘体中对称性保护边缘态的实验可探测输运特征。
• 研究在时间独立和周期性驱动条件下，手征对称性保护如何影响有限尺寸系统中的输运行为。
• 考察在保持对称性和破坏对称性的边界扰动下，拓扑边缘态的稳定性。

提出的方法

• 采用非平衡格林函数形式，计算连接外部电极的有限一维拓扑绝缘体的透射谱。
• 对具有手征对称性的静态和周期性驱动（Floquet）拓扑绝缘体进行建模。
• 施加保持或破坏手征对称性的边界扰动，以探测边缘态的鲁棒性。
• 通过能量和系统参数分析透射谱，检测能隙中间边缘态的特征。
• 比较静态和周期性驱动下的结果，评估拓扑特征的动力学稳定性。
• 聚焦于体能带隙中间透射峰的持续存在，作为拓扑保护的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 输运特性如何反映有限一维拓扑绝缘体中对称性保护边缘态的存在？
• RQ2 当边界扰动保持或破坏手征对称性时，会涌现出何种输运特征？
• RQ3 在保持对称性的扰动下，周期性驱动（Floquet）拓扑绝缘体是否表现出稳健的能隙中间透射？
• RQ4 时变驱动如何影响在边界无序存在下边缘态输运的稳定性？
• RQ5 透射谱在多大程度上可作为有限系统中拓扑保护的可靠指标？

主要发现

• 能隙中间的透射峰持续存在于体能带隙的中心，表明存在对称性保护的边缘态。
• 当手征对称性被保持时，这些透射峰在时间独立的边界扰动下依然保持稳健。
• 在时变（Floquet）驱动下，当手征对称性被保持时，能隙中间的透射仍被钉扎，表明存在动力学拓扑保护。
• 当边界扰动破坏手征对称性时，能隙中间的透射峰被抑制，证实其拓扑起源。
• 非平衡格林函数方法成功捕捉了有限系统中拓扑、对称性与输运之间的相互作用。
• 透射谱可作为一维系统中识别拓扑相的直接实验探针。