Floquet拓扑绝缘体系统的拓扑相变及输运性质的研究

In this project, we will study topological phase transition phenomena and several spin-dependent electron transport phenomena in time periodic driving topological insulators, including photoinduced topological phase transition, Floquet spin Chern pumping effect and spin non-conserved topological spin transport phenomena, which have recently been attracting intensive attention. We will clarify the underlying mechanisms of photoinduced topological phase transition, Floquet spin Chern pumping effect and spin non-conserved topological spin transport phenomena, aiming to find the intrinsic rule, and solve experimental and theoretical issues at the frontier of the field. Furthermore, efforts will be devoted to the realizations of Floquet topological quantum devices, by using methods, such as circular polarized light and periodic square wave potential.

该项目拟对近期受到广泛关注的时间周期性驱动下拓扑绝缘体中的拓扑相变现象和若干自旋依赖的电子输运现象开展理论研究，包括光子诱导的拓扑相变、Floquet自旋陈泵浦效应以及自旋不守恒情况下的拓扑自旋输运现象等。理论阐明光子诱导的拓扑相变、Floquet自旋陈泵浦效应以及自旋不守恒情况下的拓扑自旋输运现象的机制，建立直观有效的系统性的理论。揭示周期性驱动诱导拓扑相变以及自旋不守恒、杂质散射和时间反演对称性破缺对自旋依赖电子输运的影响。发现本质性规律，解决若干前沿实验和理论问题。此外，该项目还致力于探索圆偏振光场、周期性方波势等调控手段实现Floquet拓扑量子器件的方案。

本项目研究主要集中在讨论时间周期性驱动下以及磁性杂质掺杂下三维拓扑绝缘体系统的拓扑相变以及输运性质。我们发现在圆偏振光的驱动下可以实现将三维拓扑绝缘体转变为Weyl半金属相，并且两个Weyl点在动量空间的间距也是可以被外场调制的。该系统中的Hall电导同样是可以被外场调控的，甚至在无序掺杂的情况下也成立。我们通过解析与数值结合的办法给出了Hall电导在不同参数下的行为。此外，作为对照，我们还研究了三维拓扑绝缘体Bi2Se3在磁性杂质掺杂下的拓扑相变和输运性质。我们发现不仅可以出现Weyl半金属相，并且只要时间反演对称性被打破，就可以出现拓扑节线半金属相。我们可以通过调节系统的内禀参数以及掺杂的磁性杂质的浓度来调节节线的种类，从而实现了第一类节线、第二类节线以及它们之间的混合相。并且，我们还实现了各种拓扑节线半金属相与Weyl半金属相共存的混合拓扑半金属相，这是我们最有意思的发现。我们的工作为实验上实现拓扑半金属提供了一些新的思路，以及加深了人们对三维拓扑材料中输运性质的理解。