退相幹效應引起的拓撲絕緣體表面态背散射

最近，beat365量子材料科學中心的劉海文、孫慶豐和謝心澄，與訪問學者蘇州大學江華合作在三維拓撲絕緣體表面态研究方面取得重要進展，研究成果在線發表于7月24号的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 113, 046805 (2014).

時間反演對稱性保護的三維拓撲絕緣體是近年來凝聚态物理研究的熱點之一，其表面态是螺旋無能隙的并且具有自旋-動量鎖定特性。研究者普遍認為隻有通過引入磁性雜質等方式破壞時間反演對稱性後，該螺旋表面态才會打開能隙；而非磁性雜質不會在螺旋表面态中引入背散射。然而，近期發表于Nature Physics等權威物理期刊中的一系列實驗觀測結果挑戰了這些共識。這些實驗工作發現：在拓撲絕緣體材料TlBiSe2中摻入非磁性雜質S元素并逐步增大摻雜濃度到10%時，盡管該體系仍是拓撲絕緣體，但表面态出現“奇異”能隙特征【見圖1】。這一“奇異”能隙與原有理論不符，其物理起源需要理論工作的闡釋。

退相幹效應起源于電子-電子或電子-聲子相互作用等非彈性散射機制，它廣泛存在于凝聚态體系中。在最新的研究文章中，量子物質科學協同創新中心的研究者系統性地研究了退相幹效應對螺旋表面态的背散射及其狄拉克點附近色散關系的影響。通過理論計算，他們發現存在退相幹效應時，非磁性雜質散射也會引起螺旋表面态的背散射。進一步地，他們研究發現在退相幹效應和長程非磁性雜質的共同作用下，狄拉克點附近的電子态會發生很大程度的背散射。這種背散射能導緻狄拉克點附近發生顯著的能帶展寬效應，進而導緻“奇異”能隙特征【見圖2】。該項研究完善了拓撲絕緣體螺旋表面态物理性質的相關理論，并有效解決了原有理論與最新實驗結果的不一緻性。

這項研究工作得到國家自然科學基金和國家重點基礎研究發展規劃(973計劃)和中國博士後科學基金等相關項目的資助。