自旋—轨道耦合拓扑绝缘体系统中的多体凝聚效应

The many-body condensation effect in topological insulators has recently been an interesting and important field in condensed matter physics. The main purpose of this program is to study two topological many-body condensed systems, which include the topological (magneto)exciton and the topological superconductor ones. For the topological (magneto)exciton systems, we will study (i) the properties of the topological order parameters as functions of exciton number density, (ii) the spin-orbit coupling effect on the condensed exciton phases, (iii) the effect of impurities and topological defects, (iv) the intrinsic physics of the fractional charge phenomena and quantum phase transitions, and (v) the physical properties of the topological magnetoexcitons, including the optical absorption spectrum, effective mass, superfluidity, and the obital magnetization. For the topological superconductor systems, we will study (i) the Andreev bounded states properties, (ii) the novel physical prooerties of the topological superconductor phases and their intrinsic origin, (iii) the responses to the impurities and topological defects and the physical mechanism of the topological superconducting pairs, and (iv) the novel physical properties of the topological superconductors coupling with other systems. Also, we will investigate the many-body condensation effect on the anomalous quantum transport properties of the topological insulators.

近年来，拓扑绝缘体中的多体凝聚效应逐渐成为当前国际凝聚态物理研究的一个重要前沿领域。本项目主要研究拓扑(磁)激子和拓扑超导两类多体凝聚系统。前者主要包括：揭示拓扑序参量随激子浓度及电子-空穴浓度失配的变化规律；全面阐述自旋-轨道耦合效应与拓扑(磁)激子凝聚相的关系；系统研究杂质与拓扑缺陷对拓扑(磁)激子凝聚相的影响，揭示拓扑(磁)激子凝聚系统中发生分数化电荷和量子相变的条件与深刻物理内涵；研究拓扑(磁)激子的光吸收谱、有效质量、超流性、轨道磁性等物理性质。后者主要包括：系统研究拓扑超导相的奇异物性，揭示其内禀起源；研究拓扑超导相对杂质与拓扑缺陷的响应，揭示拓扑超导配对的物理机制；研究其它系统与拓扑超导相耦合时所呈现的新奇物理性质等。此外，本项目还拟深入研究多体凝聚效应对拓扑绝缘体量子反常霍尔效应等输运性质的影响。预期这些研究工作将促进我国在拓扑绝缘体领域的研究进展。

本项目研究自旋-轨道耦合拓扑绝缘体中的多体凝聚效应，主要研究了应变双层石墨烯系统中的赝磁激子性质研究、拓扑绝缘体中的分数霍尔效应、拓扑绝缘体表面上的各向异性法布里-帕罗共振态、双层拓扑绝缘体表面态上的电子—空穴超流性质、双层硅烯系统中的磁激子、双层超薄拓扑绝缘体薄膜异质结结构中的电子—空穴对、拓扑绝缘体/超导/铁磁体界面的近邻效应以及铁基超导体中的平均场态占据数性质等。这些理论研究(1)给出了拓扑激子凝聚相中拓扑序参量随激子浓度和电子空穴失配率的变化规律；并且阐明了自旋劈裂效应对各类拓扑序参量以及系统自旋极化分布的重要影响；(2)揭示了拓扑激子凝聚相中的分数量子化电荷现象和量子相变等奇异物性；并且研究了拓扑激子和拓扑超导系统中的近邻效应等；(3)理论获得了拓扑磁激子的各种独特物理特性，包括拓扑磁激子光吸收谱的选择定则；拓扑磁激子的有效质量和正常态—超流态间的转变温度对狄拉克单粒子谱及电子—空穴相互作用的依赖关系；拓扑磁激子的轨道磁矩和轨道磁化率；拓扑磁激子系统中的分数量子霍尔效应等；给出实验上实现和观测拓扑磁激子的可行性理论方案等。这些研究工作将可能促进我国在拓扑绝缘体领域的研究进展。