谢心澄课题组及合作者在轴子绝缘体中半量子化棱电流的研究中取得新进展
凝聚态物理中的分数量子化通常与关联效应诱导的准粒子激发有关，例如分数量子霍尔效应。在无相互作用系统中，分数量子化现象也会出现，一个典型的例子就是宇称反常（parity anomaly）引发的半量子化的霍尔电导。但是，在2+1维狄拉克体系中实现宇称反常并观测到半量子化的输运信号是极具挑战性的。
有趣的是，轴子绝缘体提供了一个理想平台来实现宇称反常。因为拓扑磁电效应，轴子绝缘体的表面是2+1维有质量的狄拉克体系，其上存在半量子化霍尔电导，自然地实现了宇称反常。一个非常关键的问题是，体边对应关系意味着轴子绝缘体的边缘上可能会存在半量子化的激发。而当前实验上构建轴子绝缘体的方案中，材料的侧表面通常是金属化的。此时金属侧表面上是否存在我们期望的半量子化边缘激发，实验上如何探测到它，如何利用这种半量子化的激发来帮助人们鉴别轴子绝缘体是不清楚的。
近日，北京大学物理学院量子材料科学中心谢心澄院士课题组与苏州大学物理科学与技术学院江华教授、陈垂针教授，北京师范大学物理学系刘海文教授等合作，提出在轴子绝缘体金属化的侧表面上存在一对半量子化的螺旋棱电流激发。研究团队进一步指出，这些棱电流起源于无能隙的侧表面电子在有能隙的上下表面的棱上反弹时积累的古斯-汉欣位移（Goos-Hänchen shift）。结合半经典波包运动分析，研究团队指出棱电流关于费米能级的微分为半量子化的，且受到电子反弹过程中π贝利相位的保护。最后，研究团队提出，通过测量轴子绝缘体棱电极间的非互易电导可以将棱电流的半量子化反映出来，为展现宇称反常导致的半量子化边缘激发以及实验鉴别轴子绝缘体提供可行方案。
轴子绝缘体侧表面半量子化棱电流的图像(a) 、通过非互易电导探测棱电流的器件设计方案(b)
2023年2月6日，相关研究成果以“轴子绝缘体中半量子化螺旋棱电流”（Half-Quantized Helical Hinge Currents in Axion Insulators）为题在线发表于《国家科学评论》（National Science Review）。北京大学物理学院量子材料科学中心2018级博士研究生宫明为第一作者，陈垂针、江华和谢心澄为共同通讯作者。上述研究工作得到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划等的支持。