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Higher-order topological phases hidden in quantum spin Hall insulators

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作者
Baokai Wang,Yi-Chun Hung,Xiaoting Zhou,Arun Bansil,Hsin Lin
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (24)
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.245103
摘要

Topological materials burgeoned with the discovery of the quantum spin Hall insulators (QSHIs). Since their discovery, QSHIs have been viewed as being ${\mathbb{Z}}_{2}$ topological insulators. This commonly held viewpoint, however, hides the far richer nature of the QSHI state. Unlike the ${\mathbb{Z}}_{2}$ topological insulator, which hosts gapless boundary states protected by the time-reversal symmetry, the QSHI does not support gapless edge states because the spin-rotation symmetry breaks down in real systems. Here, we demonstrate that QSHIs hide higher-order topological insulator phases through two exemplar systems. We first consider the Kane-Mele model under an external field and show that it carries an odd spin Chern number ${\mathcal{C}}_{s}=1$. The model is found to host gapless edge states in the absence of Rashba spin-orbit coupling (SOC). But, a gap opens up in the edge spectrum when SOC is included, and the system turns into a higher-order topological insulator with in-gap corner states emerging in the spectrum of a nanodisk. We also discuss a time-reversal symmetric tight-binding model on a square lattice, and show that it carries an even spin Chern number ${\mathcal{C}}_{s}=2$. This unique phase has been taken to be topologically trivial because of its gapped edge spectrum. We show it supports in-gap corner states and hosts a higher-order topological phase.
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