拓撲近藤絕緣體研究的最新成果“Chern Kondo Insulator in an Optical Lattice”

最近量子物質科學協同創新中心、beat365官方网站量子材料科學中心陳華博士後，劉雄軍研究員，和謝心澄教授合作在《物理評論快報》發表了标題為“Chern Kondo Insulator in an Optical Lattice” 的研究論文：Physical Review Letters 116, 046401 (2016)。

近年來，重費米子材料SmB6被理論預言為時間反演不變的拓撲近藤絕緣體。該體系中Sm原子中4f電子軌道非常局域，因而具有強電子關聯，表現為局域磁性。近藤效應由導帶d軌道電子和局域的Sm原子中4f電子雜化，進而對4f的局域磁性發生有效屏蔽所導緻。由于出現能帶反轉，d軌道電子和局域的4f電子雜化導緻非平凡拓撲絕緣體。理論預言符合多種實驗測量。包括輸運測量，角分辨光電子譜和掃描隧道譜。盡管如此，拓撲近藤絕緣體與通常的拓撲絕緣體并不存在拓撲性質差别，它們的關鍵差别在于拓撲近藤絕緣體中能隙是由強關聯的近藤耦合所導緻，以及4f電子的強關聯特征。而對這些性質的直接測量在凝聚态系統中通常十分困難。這促使陳華等人在冷原子中提出合适的方案研究具有非平凡拓撲的近藤絕緣體，并研究直接的觀測手段。

得益于冷原子領域中近年來在實驗和測量技術上的快速發展，該工作提出一套利用冷原子在光晶格中實現關聯量子反常霍爾效應的方案，即破壞時間反演對稱的拓撲近藤絕緣體。和凝聚态體系相比，冷原子為研究多體物理和拓撲相提供了易于操縱的平台。本文引入一個兩套子光晶格組成的超晶格，并利用拉曼光誘導s波和p波軌道發生雜化并同時産生有效的規範場。由于s波軌道強關聯效應，理論發現隻有當拉曼耦合強度大于某一臨界值，s波和p波軌道才能發生有效的雜化，從而打開能隙進入近藤絕緣相，并導緻關聯量子反常霍爾效應。此效應與非相互作用量子反常霍爾系統具有本質區别。

該量子反常霍爾近藤絕緣體在實驗觀測上由三個基本特征決定：1）拓撲相變存在臨界拉曼耦合強度；2）拓撲态有非零陳數刻畫；3）由于強關聯效應，s軌道态不存在雙占據現象。針對這些特征，本文提出了相應的觀測手段。

本工作陳華為第一作者，劉雄軍為通訊作者。該研究得到國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、以及中組部“青年千人”計劃等項目經費的資助。