物理学进展

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磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

翁红明，戴希，方忠

2014 (1): 1-9.

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量子反常霍尔绝缘体，有时也被称为陈数绝缘体，是不同于普通绝缘体和拓扑绝缘体的一类新的二维绝缘体，该体系具有可被实验观测的特殊物理性质—量子反常霍尔效应。该体系的物态不能用朗道对称性破缺理论来描写，而要用到拓扑物态的概念。它的发现也经历了从反常霍尔效应的内秉物性阐释，到量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的发现，再到磁性拓扑绝缘体的理论预测与实现，并最终成功实验观测的漫长过程。由于量子反常霍尔效应的实现不需要外加磁场，而此时样品的边缘态可以被看成一根无能耗的理想导线，因此人们对于其将来可能的应用充满了期待。本文将从理论的角度简单综述该领域的发展历程、基本概念、以及相关的材料系统。

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自旋陈数理论和时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应

盛利

2014 (1): 10-27.

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一般认为，量子自旋霍尔效应只有受到时间反演对称性的保护才是稳定的。但是，因为在实际材料中破坏时间反演对称性的微扰往往无法避免，这种受时间反演对称性保护的量子自旋霍尔效应在真实环境中并不稳定。本综述将介绍近期在寻找无需时间反演对称性保护的量子自旋霍尔效应方向上的系列研究进展。我们将证明量子自旋霍尔体系的非平庸拓扑性质在时间反演对称性被破坏后仍然可以完好存在，并通过一个规范讨论，将边缘态一般性质和体能带的非平庸拓扑性质联系起来。进一步，将探讨通过人工消除边缘态时间反演对称性而实现稳定的量子自旋霍尔效应的方案。此外，我们还将介绍自旋陈数理论，自旋陈数是在没有时间反演对称性存在时，表征量子自旋霍尔体系所处不同拓扑相的有效工具。

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5d 过渡金属氧化物|Weyl 半金属奇异量子物性研究

万贤纲

2014 (1): 28-46.

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绝缘体系统的拓扑量子行为是当前物理学领域的焦点。那么没有能隙的金属体系是否也有拓扑非平庸行为呢？答案是肯定的，5d 过渡金属元素既有着大的自旋轨道耦合，又有着不可忽略的电子关联作用，由其构成的材料体系因而具有奇异的量子物性。本文先简介人们最近关注的几类5d 材料，着重讨论烧绿石结构铱(Ir) 氧化物（A2Ir2O7，其中A=Y 或稀土元素）。我们通过第一性原理计算结合有效模型成功地预言了这一大类磁阻挫材料的基态磁构型，并预言A2Ir2O7 是Weyl 半金属。我们发现和拓扑绝缘体一样，作为一种新型拓扑量子态，Weyl 半金属态也具有其拓扑性质：Weyl 点是受拓扑保护稳定的；Weyl 半金属有着受拓扑保护的表面态，即非闭合的费米面(Fermi arc)；它对外场的响应也由其拓扑性质决定（只与Weyl 点的位置有关，和能带的细节无关）。我们进一步预言尖晶石结构锇(Os) 氧化物（AOs2O4，其中A=Ca 或Sr）是有着特别磁电响应的Axion 绝缘体。最后我们讨论了电子关联、自旋轨道耦合、磁序结构对钙态矿结构锇氧化物的影响，进一步确定NaOsO3 是由磁序导致金属–绝缘体相变的Slater 绝缘体。

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