Model Hamiltonian for topological insulators

物理 拓扑绝缘体 原子轨道 哈密顿量(控制论) 凝聚态物理 量子力学 数学物理 数学 电子 数学优化
作者
Chao‐Xing Liu,Xiao-Liang Qi,Haijun Zhang,Xi Dai,Zhong Fang,Shou-Cheng Zhang
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:82 (4) 被引量:832
标识
DOI:10.1103/physrevb.82.045122
摘要

In this paper we give the full microscopic derivation of the model Hamiltonian for the three-dimensional topological insulators in the ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$ family of materials (${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$, ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3}$ and ${\mathrm{Sb}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3}$). We first give a physical picture to understand the electronic structure by analyzing atomic orbitals and applying symmetry principles. Subsequently, we give the full microscopic derivation of the model Hamiltonian introduced by Zhang et al. [Nat. Phys. 5, 438 (2009)] based both on symmetry principles and the $\mathbf{k}\ensuremath{\cdot}\mathbf{p}$ perturbation theory. Two different types of ${k}^{3}$ terms, which break the in-plane full rotation symmetry down to threefold rotation symmetry, are taken into account. An effective Hamiltonian is derived for the topological surface states. Both bulk and surface models are investigated in the presence of an external magnetic field, and the associated Landau level structure is presented. For a more quantitative fitting to the first principle calculations, we also present a model Hamiltonian including eight energy bands.
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