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:18023
标识
DOI:10.1103/revmodphys.82.3045
摘要

Topological insulators are electronic materials that have a bulk band gap like an ordinary insulator, but have protected conducting states on their edge or surface. The 2D topological insulator is a quantum spin Hall insulator, which is a close cousin of the integer quantum Hall state. A 3D topological insulator supports novel spin polarized 2D Dirac fermions on its surface. In this Colloquium article we will review the theoretical foundation for these electronic states and describe recent experiments in which their signatures have been observed. We will describe transport experiments on HgCdTe quantum wells that demonstrate the existence of the edge states predicted for the quantum spin Hall insulator. We will then discuss experiments on Bi_{1-x}Sb_x, Bi_2 Se_3, Bi_2 Te_3 and Sb_2 Te_3 that establish these materials as 3D topological insulators and directly probe the topology of their surface states. We will then describe exotic states that can occur at the surface of a 3D topological insulator due to an induced energy gap. A magnetic gap leads to a novel quantum Hall state that gives rise to a topological magnetoelectric effect. A superconducting energy gap leads to a state that supports Majorana fermions, and may provide a new venue for realizing proposals for topological quantum computation. We will close by discussing prospects for observing these exotic states, a well as other potential device applications of topological insulators.
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