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[交流] 中国科大等在拓扑交叉点反常电流分配规则研究中获进展

近日，中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室乔振华教授研究组与国内外研究人员合作，在拓扑交叉点反常电流分配规则的理论研究上取得新进展，相关研究成果发表在5月20日出版的《物理评论快报》上。

　　拓扑量子态及相关效应（如拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、量子谷霍尔效应等）是当前凝聚态物理和材料物理领域的一大研究热点。其主要特点是材料的体态是绝缘的，但是在边界上存在受拓扑保护的导电边缘态。一般来讲，实验制备出的材料中通常并非只存在一种拓扑量子态。如图a所示，实际的体系中可能包括多个具有相反拓扑态的区域。在两个具有相反拓扑量子态的区域的界线上，可以形成具有零弯曲阻力特性的拓扑受限一维电子态。乔振华和合作者前期发现该拓扑受限电子态，由于手型传输性质和较宽的波函数分布而呈现零弯曲阻力特性。一个很现实且有趣的问题是：在拓扑交叉点处入射的电流将会如何传输与分配？

　　研究人员以基于双层石墨烯的由四端口构成的最小拓扑交叉点系统为范例，通过数值计算发现在交叉点处出射电流遵守一个仅依赖于体系几何构型的分配率。如图b所示，由于拓扑受限电子态的的手型传输特征，右端入射电流反而不能沿着左导线直接向前出射，但可沿相邻的上下两通道转过直角而出射。由于入射电流是垂直入射，系统的本征对称性保证了上下出射的几率相同。然而当入射方向不垂直时，大部分出射电流反而倾向于沿着旋转角大的方向传输（如图c和图d所示）。此外，虽然左边导线不参与电流出射，但是其空间相对位置却可极大地影响出射电流的分配。简单的理论分析表明，这种反常电流分配特性主要源于入射和出射电子通道的波函数的空间重叠效应以及沿着四条导线的拓扑受限电子态的干涉效应。

　　此项研究将有利于促进基于拓扑交叉网络的低耗散电流分流器以及量子干涉元器件的设计和应用。

　　上述工作得到国家自然科学基金委、中国科学院“百人计划”等资助。

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