拓扑绝缘体简介

吕衍凤 陈 曦 薛其坤

（低维量子物理国家重点实验室，清华大学物理系，北京 100084）

拓扑绝缘体简介

吕衍凤 陈 曦 薛其坤

（低维量子物理国家重点实验室，清华大学物理系，北京 100084）

拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的物质形态，由于其独特的能带结构，具有零质量的狄拉克费米子及其相关的奇妙物理特性，近些年来引起了人们的广泛关注.同时，它还展现出在自旋电子学和量子计算等领域巨大的应用前景.

拓扑绝缘体；量子霍尔效应；量子自旋霍尔效应；Majorana费米子

1 引言

拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的物质形态，现在已经引起了巨大的研究热潮.拓扑绝缘体具有新奇的性质，虽然与普通绝缘体一样具有能隙，但拓扑性质不同，在自旋－轨道耦合作用下，在其表面或与普通绝缘体的界面上会出现无能隙、自旋劈裂且具有线性色散关系的表面/界面态.这些态受时间反演对称性保护，不会受到杂质和无序的影响，由无质量的狄拉克（Dirac）方程所描述.理论上预言，拓扑绝缘体和磁性材料或超导材料的界面，还可能发现新的物质相和预言的Majorana费米子，它们在未来的自旋电子学和量子计算中将会有重要应用.拓扑绝缘体还与近年的研究热点如量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应等领域紧密相连，其基本特征都是利用物质中电子能带的拓扑性质来实现各种新奇的物理性质.

2 量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应

1879年，Hall发现了霍尔效应［1］；……