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) 数学 组合数学 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:19305
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. These states are possible due to the combination of spin-orbit interactions and time-reversal symmetry. The two-dimensional (2D) topological insulator is a quantum spin Hall insulator, which is a close cousin of the integer quantum Hall state. A three-dimensional (3D) topological insulator supports novel spin-polarized 2D Dirac fermions on its surface. In this Colloquium the theoretical foundation for topological insulators and superconductors is reviewed and recent experiments are described in which the signatures of topological insulators have been observed. Transport experiments on $\mathrm{Hg}\mathrm{Te}∕\mathrm{Cd}\mathrm{Te}$ quantum wells are described that demonstrate the existence of the edge states predicted for the quantum spin Hall insulator. Experiments on ${\mathrm{Bi}}_{1\ensuremath{-}x}{\mathrm{Sb}}_{x}$, ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$, ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3}$, and ${\mathrm{Sb}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3}$ are then discussed that establish these materials as 3D topological insulators and directly probe the topology of their surface states. Exotic states are described 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. Prospects for observing these exotic states are also discussed, as well as other potential device applications of topological insulators.
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