Топологические изоляторыи смежные вопросы

Содержание

Слайд 2

План лекций

Лекция 1 - Введение
Что такое топологические изоляторы
Известные экспериментальные объекты
Эксперименты (ARPES,

План лекций Лекция 1 - Введение Что такое топологические изоляторы Известные экспериментальные
STM, электр.транспорт)

Лекция 2 - Кое-что о теории
- Топологические свойства зонных диэлектриков
- Общая классификация топологических фаз
Связь с проблемами спиновой жидкости и px+ipy сверхпроводящего состояния
Майорановские фермионы: как напасть на их след

Слайд 3

Что такое топологич. изолятор - 1

Простейший пример: зонный диэлектрик (3-мерный или 2-мерный),

Что такое топологич. изолятор - 1 Простейший пример: зонный диэлектрик (3-мерный или
образующий поверхностные проводящие состояния
Обобщение: любая система со щелью в спектре в объёме, но безщелевыми состояниями на поверхности (например, сверхтекучий 3He-B)

Слайд 4

Предистория:

Предистория:

Слайд 6

Гамильтониан поверхностных электронных состояний

H = v0(-i∂ - eA)σ + geffσB

зеемановский
член

двумерный градиент
вдоль поверхности

Щель

Гамильтониан поверхностных электронных состояний H = v0(-i∂ - eA)σ + geffσB зеемановский
в спектре пропорциональна geffBz

Слайд 7

Сравним с графеном:

один «дираковский» фермион вместо 4-х в графене (там 2

Сравним с графеном: один «дираковский» фермион вместо 4-х в графене (там 2
долины и 2 проекции спина) Не работает теорема удвоения !
Псевдоспин из ур-ния Дирака – это «почти» реальный спин электрона (в графене – это индекс подрешеток, не связанный со спином)
Поэтому магнитное поле ┴ поверхности открывает щель в спектре

Слайд 8

Новая история: Science 318 766 (2007)

Новая история: Science 318 766 (2007)

Слайд 9

Краевые состояния не имеют рассеяния назад

M < 0 leads to
surface anomaly

Краевые состояния не имеют рассеяния назад M surface anomaly

Слайд 10

No back-scattering !

Спин однозначно связан с импульсом:

p

s

|1>

|2>

p

s

<1|2> = 0 если нет явно

No back-scattering ! Спин однозначно связан с импульсом: p s |1> |2>
спин-зависящего взаимодействия

Слайд 11

Что такое топологич. изолятор - 2

Электродинамика с Ө-членом:

Ө = π (2n+1) для

Что такое топологич. изолятор - 2 Электродинамика с Ө-членом: Ө = π
сохранения Т-инвариантности

exp(iS3D)= (-1)n

для интеграла по замкнутому пространству

(изложение по материалу M. Franz, Physics 1, 36 (2008)

Слайд 12

Что будет при Ө ≠ CONST ?

топ.
изолятор
Ө=π

простой
изолятор
Ө=0

Аномальные члены сидят на границе
Т-инвариантность

Что будет при Ө ≠ CONST ? топ. изолятор Ө=π простой изолятор
там нарушена

Слайд 13

Магнито-электрический эффект

Кроме того,
эффект Керра – вращение плоскости поляризации отраженного света

Магнито-электрический эффект Кроме того, эффект Керра – вращение плоскости поляризации отраженного света

Слайд 14

“Dynamical Axion Field in Topological Magnetic Insulators” R. LiR. Li, J. WangR. Li,

“Dynamical Axion Field in Topological Magnetic Insulators” R. LiR. Li, J. WangR.
J. Wang, X. QiR. Li, J. Wang, X. Qi, S.-C. Zhang

Axions are very light, very weakly interacting particles postulated more than 30 years ago in the context of the Standard Model of particle physics. Their existence could explain the missing dark matter of the universe. However, despite intensive searches, they have yet to be detected. In this work, we show that magnetic fluctuations of topological insulators couple to the electromagnetic fields exactly like the axions, and propose several experiments to detect this dynamical axion field. In particular, we show that the axion coupling enables a nonlinear modulation of the electromagnetic field, leading to attenuated total reflection. We propose a novel optical modulators device based on this principle.

Arxiv: 0908.1537

Слайд 15

Объекты, известные как Топологические Изоляторы или Топ. Сверхпроводники

2D: HgTe (квантовые ямы с

Объекты, известные как Топологические Изоляторы или Топ. Сверхпроводники 2D: HgTe (квантовые ямы
2D электронами)
3D: Bi1-xSbx Bi2Se3 Bi2Te3 Tl Bi Se2
3He-B Н.Копнин et al J.LowTemp.Phys. 85, 267 (1991)
Г.Воловик Письма ЖЭТФ 90, 440 (2009).
Topological superfluid 3He-B: fermion zero modes on interfaces and
in the vortex core M.A. Silaevin the vortex core M.A. Silaev, G.E. Volovik arXiv:1005.4672

Слайд 16

Эксперименты ARPES

Эксперименты ARPES

Слайд 19

arXiv:08122078

arXiv:08122078

arXiv:08122078 arXiv:08122078

Слайд 20

Band structure calculation

Band structure calculation

Band structure calculation Band structure calculation

Слайд 22

Large Gap Topological Insulator Bi2Te3 with a Single Dirac Cone on the

Large Gap Topological Insulator Bi2Te3 with a Single Dirac Cone on the
Surface
Y. L. ChenY. L. Chen, J. G. AnalytisY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. ChuY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. LiuY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S. K. MoY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S. K. Mo, X. L. QiY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S. K. Mo, X. L. Qi, H. J. ZhangY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S. K. Mo, X. L. Qi, H. J. Zhang, D. H. LuY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S. K. Mo, X. L. Qi, H. J. Zhang, D. H. Lu, X. DaiY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S. K. Mo, X. L. Qi, H. J. Zhang, D. H. Lu, X. Dai, Z. FangY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S. K. Mo, X. L. Qi, H. J. Zhang, D. H. Lu, X. Dai, Z. Fang, S. C. ZhangY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S. K. Mo, X. L. Qi, H. J. Zhang, D. H. Lu, X. Dai, Z. Fang, S. C. Zhang, I. R. FisherY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S. K. Mo, X. L. Qi, H. J. Zhang, D. H. Lu, X. Dai, Z. Fang, S. C. Zhang, I. R. Fisher, Z. HussainY. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S. K. Mo, X. L. Qi, H. J. Zhang, D. H. Lu, X. Dai, Z. Fang, S. C. Zhang, I. R. Fisher, Z. Hussain, Z. X. Shen
arXiv:0904.1829

Слайд 24

Nature Phys.
6, 584 (2010)

Nature Phys.
6, 584 (2010)

Nature Phys. 6, 584 (2010) Nature Phys. 6, 584 (2010)

Слайд 25

Phys Rev B 82, 081305 (2010)

Phys Rev B 82, 081305 (2010)

Phys Rev B 82, 081305 (2010) Phys Rev B 82, 081305 (2010)

Слайд 26

Транспортные эксперименты

Aharonov-Bohm interference in topological insulator nanoribbons
Hailin PengHailin Peng, Keji LaiHailin

Транспортные эксперименты Aharonov-Bohm interference in topological insulator nanoribbons Hailin PengHailin Peng, Keji
Peng, Keji Lai, Desheng KongHailin Peng, Keji Lai, Desheng Kong, Stefan MeisterHailin Peng, Keji Lai, Desheng Kong, Stefan Meister, Yulin Chen,
Xiao-Liang Qi Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang, Zhi-Xun Shen Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang, Zhi-Xun Shen, Yi Cui
arXiv:0908.3314

Giant magnetic fingerprint in non-metallic Bi2Se3
J.Checkelsky et al arXiv:0909.1840

Superconductivity in CuxBi2Se3 and its implications for pairing in the
undoped topological insulator Y. S. Hor Y. S. Hor, A. J. Williams Y. S. Hor, A. J. Williams, J. G. Checkelsky,
P. RoushanP. Roushan, J. SeoP. Roushan, J. Seo, Q. XuP. Roushan, J. Seo, Q. Xu, H. W. ZandbergenP. Roushan, J. Seo, Q. Xu, H. W. Zandbergen, A. YazdaniP. Roushan, J. Seo, Q. Xu, H. W. Zandbergen, A. Yazdani, N. P. OngP. Roushan, J. Seo, Q. Xu, H. W. Zandbergen, A. Yazdani, N. P. Ong, R. J. Cava
arXiv:0909.2890

Nonlocal transport in quantum spin-Hall state in HgTe quantum well

Слайд 28

Phase and period of oscillations ?

Phase and period of oscillations ?

J.Bardarson, P.Brouwer

Phase and period of oscillations ? Phase and period of oscillations ?
and J. Moore
Phys Rev Lett 105, 156803 (2010)

Слайд 32

Very thin crystals

arXiv:1003.3883

Very thin crystals arXiv:1003.3883

Слайд 34

Лекция 2. Теория
Топологические свойства зонных диэлектриков
Общая классификация возможных топологических фаз в размерностях

Лекция 2. Теория Топологические свойства зонных диэлектриков Общая классификация возможных топологических фаз
d=1,2,3
Связь с проблемами спиновой жидкости и px+ipy сверхпроводящего состояния
Майорановские фермионы:
как напасть на их след

Слайд 35

Теория зонных ТИ

Общая топологическая классификация

Топологические калибровочные теории

Arxiv:1011.3485

Теория зонных ТИ Общая топологическая классификация Топологические калибровочные теории Arxiv:1011.3485

Слайд 36

Phys Rev B
76, 045302 (2007)
75, 195312 (2006)

2D:

Phys Rev B 76, 045302 (2007) 75, 195312 (2006) 2D:

Слайд 38

Непрерывный предел: 0< m +2 << 1

Непрерывный предел: 0

Слайд 39

Dimensional reduction

приводит к сумме 1D членов

= integer

Dimensional reduction приводит к сумме 1D членов = integer

Слайд 40

Магнитоэлектрический эффект
в присутствии щели на пов-сти

Для бесщелевой поверхности выведено
эффективное действие

Магнитоэлектрический эффект в присутствии щели на пов-сти Для бесщелевой поверхности выведено эффективное действие с дираковскими фермионами
с дираковскими фермионами

Слайд 41

Singe Dirac point on
the sphere

Singe Dirac point on
the sphere

Как это

Singe Dirac point on the sphere Singe Dirac point on the sphere
совместить с открытием
щели в тонкой пластинке ?

Слайд 42

Туннель для связи с антиподами

Тонкая бесконечная пластинка ТИ
На верхней и нижней поверхностях

Туннель для связи с антиподами Тонкая бесконечная пластинка ТИ На верхней и
живут дираковские электроны
(как в графене, но нет 4-вырождения)

Yi ZhangYi Zhang, Ying RanYi Zhang, Ying Ran, Ashvin Vishwanath arxiv:0904.0690

Сквозной туннель радиуса R содержит на внутренней поверхности состояния со спектром

n = m + ½ - (Φ/Φ0)

m – целое число

Слайд 43

General classification: A.Kitaev, A.Ludwig et al

General classification: A.Kitaev, A.Ludwig et al

Слайд 44

Connections to spin-liquids and p+ip superconductors

Основы:

Недавние работы

Phys. Rev. B 79,

Connections to spin-liquids and p+ip superconductors Основы: Недавние работы Phys. Rev. B
180501(R) (2009)
Exactly solvable pairing model for superconductors with px+ipy-wave symmetry
M. IbañezM. Ibañez, Jon LinksM. Ibañez, Jon Links, G. SierraM. Ibañez, Jon Links, G. Sierra, and S.-Y. Zhao
Gauge symmetry in Kitaev-type spin models and index theorems on
odd manifolds Yue Yu arXiv:0704.3829 Nucl. Phys. B 799, 345 (2008)

Слайд 45

All products

commute with H

Majorana representation

All products commute with H Majorana representation

Слайд 46

single Dirac fermion mode!

single Dirac fermion mode!

single Dirac fermion mode! single Dirac fermion mode!

Слайд 47

B-phase can be made gapful

1) Including of magnetic field, or NNN fermionic

B-phase can be made gapful 1) Including of magnetic field, or NNN
couplings (Kitaev 2006)

2) Going to decorated honeycomb lattice
(Yao-Kivelson 2007)

Chern number

Слайд 48

Critical point

Critical point

Transition is between topological insulator and trivial insulator

Similar transition was

Critical point Critical point Transition is between topological insulator and trivial insulator
predicted by Read & Green for p-wave superconductors

Слайд 49

Майорановские состояния в центрах сверхпроводящих вихрей и неабелева обменная статистика

D.A.Ivanov PRL 2001

4

Майорановские состояния в центрах сверхпроводящих вихрей и неабелева обменная статистика D.A.Ivanov PRL
vortices:
Non-Ab trans.

Слайд 50

Superconducting Proximity Effect and Majorana Fermions at the Surface of a Topological

Superconducting Proximity Effect and Majorana Fermions at the Surface of a Topological
Insulator Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008) L. FuL. Fu and C. L. Kane

Bi2Se3

Nb

Chiral
states

Слайд 51

Аналогия (неполная) с px+ipy сверхпроводником

H =

Time-reversal operator

original fermions

chiral fermions

Due to phase factors the

Аналогия (неполная) с px+ipy сверхпроводником H = Time-reversal operator original fermions chiral
current Hamiltonian (1) is T-inv.
whereas px+ipy superconductor breaks T-invariance

(1)

Слайд 52

Сверхпроводящий эффект близости на поверхности ТИ

С учетом примесного рассеяния на поверхности,

Сверхпроводящий эффект близости на поверхности ТИ С учетом примесного рассеяния на поверхности,

которое не должно приводить к распариванию
(из-за того, что T-инвариантность не нарушена)

Nb

Nb

Зависимость Ic(L,T) - способ измерить коэфф. диффузии поверхностных состояний

Эксперимент B.Sacepe et al – джозеф. ток на поверхности

Слайд 53

Индуцированная сверхпроводимость и майорановские состояния

Superconducting Proximity Effect and Majorana Fermions at the

Индуцированная сверхпроводимость и майорановские состояния Superconducting Proximity Effect and Majorana Fermions at
Surface of a Topological Insulator
Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008) L. FuL. Fu and C. L. Kane
Они же: arXiv:0804.4469, arXiv:0903.2427
Phys. Rev. Lett. 102, 216404 (2009) Electrically Detected Interferometry of Majorana Fermions in a Topological Insulator A. R. AkhmerovA. R. Akhmerov, Johan NilssonA. R. Akhmerov, Johan Nilsson, and C. W. J. Beenakker
Manipulation of Majorana fermion, Andreev reflection and Josephson current on topological insulators Yukio TanakaYukio Tanaka, Takehito YokoyamaYukio Tanaka, Takehito Yokoyama, Naoto Nagaosa arXiv:0907.2088
Majorana Fermion Induced Resonant Andreev Reflection K. T. LawMajorana Fermion Induced Resonant Andreev Reflection K. T. Law, Patrick A. LeeMajorana Fermion Induced Resonant Andreev Reflection K. T. Law, Patrick A. Lee, T. K. Ng arXiv:0907.1909
Detecting Majorana bound states induced by a topological insulator
Colin Benjamin Colin Benjamin, Jiannis K. Pachos arXiv:0908.0655
Имя файла: Топологические-изоляторыи-смежные-вопросы.pptx
Количество просмотров: 44
Количество скачиваний: 0