Colloquium: Topological insulators

拓扑绝缘体 物理 量子反常霍尔效应 拓扑简并 马约拉纳费米子 拓扑序 量子霍尔效应 费米子 拓扑量子计算机 表面状态 拓扑(电路) 凝聚态物理 对称保护拓扑序 迪拉克费米子 超导电性 马约拉纳 量子力学 量子 磁场 曲面(拓扑) 组合数学 数学 几何学
作者
M. Zahid Hasan,C. L. Kane
出处
期刊:Reviews of Modern Physics [American Physical Society]
卷期号:82 (4): 3045-3067 被引量:18970
标识
DOI:10.1103/revmodphys.82.3045
摘要

Topological insulators are electronic materials that have a bulk band gap\nlike an ordinary insulator, but have protected conducting states on their edge\nor surface. The 2D topological insulator is a quantum spin Hall insulator,\nwhich is a close cousin of the integer quantum Hall state. A 3D topological\ninsulator supports novel spin polarized 2D Dirac fermions on its surface. In\nthis Colloquium article we will review the theoretical foundation for these\nelectronic states and describe recent experiments in which their signatures\nhave been observed. We will describe transport experiments on HgCdTe quantum\nwells that demonstrate the existence of the edge states predicted for the\nquantum spin Hall insulator. We will then discuss experiments on Bi_{1-x}Sb_x,\nBi_2 Se_3, Bi_2 Te_3 and Sb_2 Te_3 that establish these materials as 3D\ntopological insulators and directly probe the topology of their surface states.\nWe will then describe exotic states that can occur at the surface of a 3D\ntopological insulator due to an induced energy gap. A magnetic gap leads to a\nnovel quantum Hall state that gives rise to a topological magnetoelectric\neffect. A superconducting energy gap leads to a state that supports Majorana\nfermions, and may provide a new venue for realizing proposals for topological\nquantum computation. We will close by discussing prospects for observing these\nexotic states, a well as other potential device applications of topological\ninsulators.\n
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