物理所一维光学超晶格系统的拓扑性质研究取得进展

　　拓扑绝缘体代表一种全新的量子物态：它的体态是有能隙的绝缘体，而其表面态则为没有能隙的金属态。由于其在自旋电子学和量子计算等领域的潜在应用，拓扑绝缘体的研究近年来吸引了来自物理学不同领域的极大关注和研究。拓扑绝缘体通常被认为只在二维和三维系统里才会出现。一个有意思的问题是：这样的系统是否能在维度更低的一维体系中得以实现呢？

　　最近，中科院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室（筹）陈澍研究员和博士生郎利君及博士后蔡小明在一维光学超晶格系统的拓扑性质研究方面取得进展。他们研究了周期调制的一维光学超晶格费米系统，发现了在一维的准周期光晶格系统里存在边界态和拓扑相。这样的系统也具有类似蝴蝶形状的Hofstadter谱。当费米能级位于能隙中时，超光晶格里的费米系统是一个拓扑绝缘体，可以用一个非零的拓扑不变量来刻画。这样一个一维体系具有非平庸的拓扑性质的内在原因在于它同二维的格点量子霍尔系统有着内在的联系，他们的量子态可由求解同一类Harper方程决定。其拓扑属性可以通过观测处于外加束缚势下的费米系统的密度分布来揭示，其密度分布会出现平台，而平台的位置完全由双色光晶格的波长比来唯一决定。超光晶格的类蝴蝶状能谱也可以通过有限温下束缚费米系统的密度分布来决定。这样的一维系统是一个冷原子实验可以实现的一维拓扑绝缘体。

　　该发现开辟了一条在一维光晶格中研究和探测拓扑相和类Hofstadter谱的途径。

　　相关研究得到国家自然科学基金委员会和科技部的支持。这一研究成果已发表在最近出版的《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 108, 220401 (2012)）上。

　　图一：三周期的一维光学超晶格系统的能谱和能态。A图是周期边界系统的能带结构，B图是相应的开边界系统的能谱结构，在带隙中出现了边界态。C图展现了带中的扩展态和带隙中边界态的分布。

　　

　　图二：开边界的一维光学超晶格系统的边界谱位置随调制势相位的变化。A为三周期系统，B为四周期系统。

　　

图三：一维光学超晶格系统展现出的蝴蝶状的能谱

　　

　　图四：处于外加束缚势下的光学超晶格中的费米系统的密度分布。其密度分布中出现的平台的位置完全由双色光晶格的波长比来唯一决定。通过探测台阶的位置可决定系统的拓扑属性。