相互作用誘導(dǎo)的對(duì)稱破缺和拓?fù)湫詾槟蹜B(tài)物質(zhì)的分類提供了基礎(chǔ)。近年來，相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)研究不斷加深對(duì)二者關(guān)系的理解。研究二者關(guān)系的理想平臺(tái)是kagome材料體系。kagome晶格材料的單電子能帶具有類似于石墨烯的線形色散關(guān)系，還有二次相切的能帶和平帶，相互作用在不同的填充下可調(diào)并起到重要作用。在絕緣體情況下，kagome材料獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)使得相互作用存在阻挫，對(duì)基態(tài)的磁性有重要影響；在半金屬填充下，相互作用可誘導(dǎo)非平庸的拓?fù)鋵傩浴＝冢谝恍栽碛?jì)算方法預(yù)言了多種金屬填充的材料體系，實(shí)驗(yàn)上報(bào)道了kagome金屬這一新型材料體系。然而，對(duì)于具有自旋的平帶半填充的金屬情況，除了少量基于平均場理論的研究，體系中的相互作用、磁性以及與拓?fù)涞年P(guān)系尚待進(jìn)一步探索和理解。

　　喬振華研究組與合作者通過密度矩陣重整化群（DMRG）方法探究了kagome晶格在平帶半填充時(shí)的量子相，并結(jié)合平均場拓?fù)淠軒в?jì)算指出該體系具有軌道陳絕緣體相。該研究基于格點(diǎn)tJV模型，其中t、J、V分別表示最近鄰躍遷作用、最近鄰反鐵磁交換作用和最近鄰與次近鄰間的庫侖排斥作用。研究發(fā)現(xiàn)，在有限V的條件下，J的大小對(duì)體系的相圖起到至關(guān)重要的作用。比較大的反鐵磁相互作用傾向于形成一種向列型的電荷密度波，具有各向異性，但沒有磁性（如圖區(qū)域Ⅲ）；隨著J降低，體系首先進(jìn)入一個(gè)部分磁化的相（如圖區(qū)域Ⅱ）；當(dāng)J進(jìn)一步降低時(shí)，體系進(jìn)入完全極化的鐵磁相，并具有量子化的反常霍爾電導(dǎo)（如圖區(qū)域Ⅰ），對(duì)應(yīng)的拓?fù)鋽?shù)或陳數(shù)為±1。

　　該體系的陳數(shù)僅依賴于體系的軌道磁化，因而可定位為軌道陳絕緣體。相比于磁性和自旋-軌道耦合誘導(dǎo)的陳絕緣體，研究中電子-電子相互作用誘導(dǎo)的陳絕緣體不依賴于自旋的取向。該項(xiàng)研究不僅提供了轉(zhuǎn)角多層石墨烯之外的另一種軌道陳絕緣體體系，而且為區(qū)分kagome體系中反常霍爾效應(yīng)的不同物理機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。

　　中國科大2019屆博士畢業(yè)生任亞飛為論文的第一作者，研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、安徽省、中國科大的資助。

　　論文鏈接 

　　kagome晶格中tJV模型的基態(tài)量子相圖