Topological invariants of time-reversal-invariant band structures

布里渊区 不变(物理) 拓扑绝缘体 物理 绕组编号 拓扑(电路) 量子霍尔效应 量子力学 电子 组合数学 数学 数学分析
作者
Joel E. Moore,Leon Balents
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:75 (12) 被引量:2090
标识
DOI:10.1103/physrevb.75.121306
摘要

The topological invariants of a time-reversal-invariant band structure in two dimensions are multiple copies of the $\mathbb{Z}_2$ invariant found by Kane and Mele. Such invariants protect the topological insulator and give rise to a spin Hall effect carried by edge states. Each pair of bands related by time reversal is described by a single $\mathbb{Z}_2$ invariant, up to one less than half the dimension of the Bloch Hamiltonians. In three dimensions, there are four such invariants per band. The $\mathbb{Z}_2$ invariants of a crystal determine the transitions between ordinary and topological insulators as its bands are occupied by electrons. We derive these invariants using maps from the Brillouin zone to the space of Bloch Hamiltonians and clarify the connections between $\mathbb{Z}_2$ invariants, the integer invariants that underlie the integer quantum Hall effect, and previous invariants of ${\cal T}$-invariant Fermi systems.

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