近日，大湾区大学（筹）理学院助理教授付博与香港大学沈顺清教授及在读博士白铠志合作，首次提出“半量子镜面霍尔效应”的概念，强调了晶体对称性在能带拓扑中的重要作用。此项研究不仅为理解拓扑绝缘体的无质量狄拉克表面态提供了新的视角，也推动了对时间反演不变系统中宇称反常的直接观测的可能性。相关成果以”Half-quantum mirror Hall effect”为题发表于《自然》旗下子刊Nature Communications。
研究背景
在量子物理的广阔领域中，量子反常一直是一个引人入胜的议题。量子反常不仅挑战了传统的理论框架，还为实验物理学家提供了一片探索的新天地。在量子场论中，一个2+1维无质量狄拉克费米子与U(1)规范场耦合可以引起特殊的拓扑项——陈-西蒙斯项，该项对应于半量子化的霍尔电导。该项的产生明显破坏了宇称和时间反演对称性。这种拉式量在经典层面具有宇称对称性，而在量子层面破缺的现象即为宇称反常。在固体物理中，有限的晶格常数充当了自然的紫外截断，导致无质量的狄拉克锥总是成对出现，从而抵消了量子反常。因此，半整数量子霍尔效应作为宇称反常的直接证据，很难被直接观测到。自20世纪80年代以来，研究人员一直在努力观测凝聚态系统中的宇称反常现象。直到最近，南京大学（Nat. Commun. 8, 977, 2017）和东京大学（Nat. Phys. 18, 390, 2022）的研究小组才在实验中成功观测到宇称反常。然而，这些实验方案通常需要通过引入磁性杂质来破坏时间反演对称性。这引出了一个问题：我们是否能在保持时间反演对称性的体系中观测到宇称反常现象？
研究结果
研究表明，如果所示具有水平镜面对称性的强拓扑绝缘体薄膜中的所有态可以根据镜面对称性的本征值被划分为两个集合。根据宇称反常，每个子系统中仅存在单个无质量狄拉克锥，因此展现出半整数化的量子霍尔电导 
e2/2h。由于体系具有时间反演不变性，其总霍尔电导为零，但两个镜面本征系统间的霍尔电导差为e2/h。由于只有通常的量子自旋霍尔效应的一半，该现象被命名为“半量子镜面霍尔效应”。该研究中设计了电子输运方案，用以探测直接与该效应相关的镜面霍尔流，并提出了潜在的材料候选以实现这一现象。强拓扑绝缘体Bi2Te3和Bi2Se3具有垂直于特定轴的镜像平面。因此，通过在特定晶向上生长或形成孪晶边界的薄膜，可以构建出具有镜像对称性的结构，从而实现该效应。
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