近日，南方科技大學物理系和量子科學與工程研究院教授盧海舟課題組在三維高階拓撲絕緣體的拓撲穩定性方面取得進展，並在美國物理學會《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表了相關研究成果。
2005年，物理研究學者Kane和Mele提出了有關石墨烯體系的量子自旋霍爾效應理論方案。該方案吸引了一大批凝聚態物理學者對拓撲物相進行研究。在接下來的十幾年間，研究人員通過理論或實驗相繼發現了三維拓撲絕緣體、外耳半金屬、反常霍爾效應等一系列新奇拓撲物相。Kane和Mele也因此項工作拿到了一系列獎項，拓撲物相研究的興起更是讓早期從事拓撲物相理論研究的物理學者Thouless，Haldane以及Kosterlitz榮獲了2016年的諾貝爾物理學獎。
2017年，Bernevig等研究學者在Science上發表文章，將拓撲物相的概念進行擴展，提出了高階拓撲絕緣體的概念。跟傳統的拓撲相對比，三維高階拓撲絕緣體的體態拓撲並不能保證面內激發是無能隙的，但是可以保證更低一維度的楞上激發是無能隙的態（圖1）。雖然這種概念很吸引人，但迄今為止，很少有實驗能在真正的資料體系中觀測到高階拓撲物相存在的迹象，只有在一些人工構造的光晶格和聲學體系中可以找到高階拓撲物相存在的證據。這究竟是什麼原因造成的呢？一種可能是這種高階拓撲並不像一階拓撲那樣，可以抵抗資料體系的無序和電子與電子間的庫侖作用。
圖1，一個表面絕緣、楞無能隙的三維的高階絕緣體（左），在庫侖相互作用下轉變成一個拓撲絕緣體（右上），或者一個拓撲平庸的絕緣體（右下）。
為了研究高階拓撲絕緣體在庫侖作用下是否還能穩定存在的問題，盧海舟團隊首次以理論研究的角度進行了解答。他們在一個廣泛接受的三維高階拓撲絕緣體模型上引入庫侖相互作用，並通過系統的重整化群計算，得到庫侖相互作用對决定拓撲不變數相關參數的重整化效應。研究團隊在對决定拓撲不變數相關參數的低能行為進行分析後發現，儘管模型的出發點是一個高階拓撲絕緣體，但當存在庫侖相互作用時，該高階拓撲絕緣體總是不穩定的，在低能下要麼轉變成一階拓撲絕緣體，要麼轉變成正常絕緣體。與此同時，他們還發現，在轉變為一階拓撲絕緣體時，體資料表面的能隙會閉合，並伴隨著演生（emergent）的時間反演和空間反射對稱性；在轉變為正常拓撲絕緣體時，體資料能隙會先閉合再打開，相變點會出現一些新奇的量子臨界性。最後，研究團隊得到了一些在庫侖相互作用下產生的相圖（圖2）。
圖2，（c）–（f）分別是在m–α，ΔC–α，D–α，B–α平面上的相圖。SOTI和CDM分別是second-order topological insulator和compressible diffusive metal的縮寫。
該理論首次研究了高階拓撲絕緣體在相互作用下的拓撲穩定性問題。越來越多的高階拓撲物相也被相繼提出，這將會引起更多的後續理論和實驗研究工作。
該理論文章的第一作者為南科大物理系博士後趙鵬露，通訊作者為盧海舟，合作者還包括北京大學講席講授、中國科學院院士謝心澄以及南科大物理系碩士生强曉斌。南科大是論文第一單比特。以上研究得到國家自然科學基金、廣東省普通高校創新團隊、深圳市科創委的資助。數值計算得到南科大科學與工程計算中心支持。
論文連結：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.176601