最近，北京大學物理學院量子材料科學中心謝心澄院士研究組與蘇州大學物理科學與技術學院江華、陳垂針教授合作，對三維軸子絕緣體中無序誘導的相變和臨界行為展開研究。他們發現了一種二維量子霍爾效應的相變普適類，並提出可以利用該相變在三維磁性拓撲絕緣體中探測軸子絕緣體態。2021年4月12日，該項工作以《軸子絕緣體中的臨界行為和普適特征》（Critical Behavior and Universal Signature of an Axion Insulator State）為題，線上發表於《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett.126，156601）。
拓撲和對稱性破缺在描述物相方面起到至關重要的作用。通過破壞三維拓撲絕緣體表面的時間反演對稱性，可以產生一種新的拓撲物態——軸子絕緣體態。和普通絕緣體相比，軸子絕緣體擁有一些獨特的電磁響應，例如量子化的拓撲磁電響應和半量子化的表面霍爾響應。囙此，近年來，在鐵磁-三維拓撲絕緣體異質結以及MnBi2Te4中尋找軸子絕緣體引起廣泛關注。儘管最近有三個研究組分別報導了實驗發現軸子絕緣體，但是其證據——軸子絕緣體表現出巨大的縱向電導和零的橫向電導——與普通絕緣體是一致的。這導致實驗上難以區分軸子絕緣體，亟需一種明確的判據來辨別。
無序系統的安德森相變具有一些典型的性質，例如臨界指數等，它們往往只依賴於體系的空間維度、對稱性等一般内容，而並不依賴於具體模型的細節。正是這種普適性，使得聯合研究組在實驗上廣泛地研究磁性拓撲絕緣體中的安德森相變，發現了相關拓撲物態的獨特的性質，並囙此將探測軸子絕緣體聚焦於研究三維磁性拓撲絕緣體在無序下的金屬-絕緣體相變行為。
具體來說，在弱無序下，隨著費米能級的提高，軸子絕緣體會經歷一個二維的退局域化相變，變成一個安德森絕緣體；隨著費米能級進一步提高，體系繼續發生一個三維的絕緣體-金屬相變，變為擴散金屬。研究組提出一種唯象理論——將無序的軸子絕緣體的表面與Chalker-Coddington網格模型建立聯系，用來解釋這種二維相變及其普適類。同時，他們在反鐵磁的MnBi2Te4中重複了以上結果，這表明這些結果是不依賴於模型的。囙此，預測可以在鐵磁-三維拓撲絕緣體異質結以及MnBi2Te4中觀測到這種普適的二維相變行為，進而來探測軸子絕緣體。
北京大學物理學院量子材料科學中心2017級博士生李海龍為論文第一作者，謝心澄院士和蘇州大學物理科學與技術學院陳垂針教授是論文的共同通訊作者，其他合作者還包括蘇州大學物理科學與技術學院的江華教授。上述工作得到國家重點基礎研究發展計畫、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、江蘇高校優勢學科建設工程和江蘇省自然科學基金等資助。
原文連結：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.156601
圖：（a）軸子絕緣體的簡單示意圖；（b）區域邊界上的手性邊緣態互相散射形成導電通道；（c）無量綱局域化長度作為費米能的函數；（d）單參數標度的數值擬合；（e）無序軸子絕緣體的相圖。