Light-induced half-quantized Hall effect and axion insulator

物理 拓扑绝缘体 Berry连接和曲率 轴子 拓扑(电路) Chern类 圆极化 哈密顿量(控制论) 凝聚态物理 几何相位 量子力学 磁场 数学优化 组合数学 粒子物理学 数学 暗物质 几何学
作者
Fang Qin,Ching Hua Lee,Rui Chen
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (7) 被引量:22
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.075435
摘要

Motivated by the recent experimental realization of the half-quantized Hall effect phase in a three-dimensional (3D) semimagnetic topological insulator [M. Mogi et al., Nat. Phys. 18, 390 (2022)], we propose a scheme for realizing the half-quantized Hall effect and axion insulator in experimentally mature 3D topological insulator heterostructures. Our approach involves optically pumping and/or magnetically doping the topological insulator surface, such as to break time reversal and gap out the Dirac cones. By toggling between left and right circularly polarized optical pumping, the sign of the half-integer Hall conductance from each of the surface Dirac cones can be controlled, such as to yield half-quantized ($0+1/2$), axion ($\ensuremath{-}1/2+1/2=0$), and Chern ($1/2+1/2=1$) insulator phases. We substantiate our results based on detailed band structure and Berry curvature numerics on the Floquet Hamiltonian in the high-frequency limit. Our paper showcases how topological phases can be obtained through mature experimental approaches such as magnetic layer doping and circularly polarized laser pumping and opens up potential device applications such as a polarization chirality-controlled topological transistor.
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