最近，苏州大学陈垂针教授、江华教授与北京大学博士生李海龙以及谢心澄院士合作，研究了三维轴子绝缘体中无序诱导的相变和临界行为。他们发现了一种二维量子霍尔效应的相变普适类，并提出可以利用该相变在三维磁性拓扑绝缘体中探测轴子绝缘体态。该项工作已于近日以 “Critical Behavior and Universal Signature of an Axion Insulator State” 为题发表在 [Phys. Rev. Lett. 126, 156601 (2021)]。
拓扑和对称性破缺在描述是物相的两个重要方面。通过破坏三维拓扑绝缘体表面的时间反演对称性可以产生一种新的拓扑物态——轴子绝缘体态。和普通绝缘体相比，轴子绝缘体拥有一些独特的电磁响应，例如量子化的拓扑磁电响应和半量子化的表面霍尔响应。另一方面，无序系统的安德森相变具有一些典型的性质，例如临界指数等，它们往往只依赖于体系的空间维度、对称性等一般属性，而并不依赖于具体模型的细节。正是这种普适性，使得实验上广泛地研究磁性拓扑绝缘体中的安德森相变，并且发现了相关拓扑物态的独特的性质。因此，本文作者将探测轴子绝缘体的目光聚焦于研究三维磁性拓扑绝缘体在无序下的金属-绝缘体相变行为。作者们预测可以在铁磁-三维拓扑绝缘体异质结以及MnBi2Te4中观测到二维量子霍尔效应的相变普适类，进而来探测轴子绝缘体。
苏州大学陈垂针教授和北京大学谢心澄院士是文章的共同通讯作者，北京大学博士生李海龙为文章的第一作者，其他合作者还包括苏州大学的江华教授。该工作得到了国家自然科学基金、江苏高校优势学科建设工程资助项目以及江苏省自然科学基金等项目的资助。
图：(a) 轴子绝缘体的简单示意图；(b) 区域边界上的手性边缘态互相散射形成导电通道；(c) 无量纲局域化长度作为费米能的函数；(d) 单参数标度的数值拟合；(e) 无序轴子绝缘体的相图。