中国科学技术大学乔振华教授研究组与国内外合作者在拓扑交叉点的反常电流分配规则的理论研究上取得新进展，相关研究成果发表在2014年5月20日的国际权威物理学杂志《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 112, 206601 (2014)]。
拓扑量子态及相关效应（如拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、量子谷霍尔效应等）是当前凝聚态物理和材料物理领域的一大研究热点。其主要特点是材料的体态是绝缘的，但是在边界上存在受拓扑保护的导电边缘态。一般来讲，实验制备出的材料中通常并非只存在一种拓扑量子态。如图a所示，实际的体系中可能包括多个具有相反拓扑态的区域（+/-用来表征各区域具有相反的拓扑量子数）。在两个具有相反拓扑量子态的区域的界线上，可以形成具有零弯曲阻力特性的拓扑受限一维电子态。乔振华教授和合作者前期发现该拓扑受限电子态，由于手型传输性质和较宽的波函数分布而呈现零弯曲阻力特性[Nano Lett. 11, 3453 (2011)]。一个很现实且有趣的问题是：在拓扑交叉点处入射的电流将会如何传输与分配？
图 1：(a) 不同拓扑态组成的网络示意图，正/负用来表示各区域相反的外加电场或者相反的拓扑量子数；(b) 当右入射电流与下导线成90°，60°，120°入射角度时的电流的实空间分布示意图。上，下和左导线上的三个百分数表示出射在这三个导线上的电流的相对强度。
在本文中，乔振华教授研究组和国内外合作者以基于双层石墨烯的由四端口构成的最小拓扑交叉点系统为范例，通过数值计算发现在交叉点处出射电流遵守一个仅依赖于体系几何构型的分配率。如图b所示，由于拓扑受限电子态的的手型传输特征，右端入射电流反而不能沿着左导线直接向前出射，但可沿相邻的上下两通道转过直角而出射。由于入射电流是垂直入射，系统的本征对称性保证了上下出射的几率相同。然而当入射方向不垂直时，大部分出射电流反而倾向于沿着旋转角大的方向传输（如图c和图d所示）。此外，虽然左边导线不参与电流出射，但是其空间相对位置却可极大地影响出射电流的分配。简单的理论分析表明，这种反常电流分配特性主要源于入射和出射电子通道的波函数的空间重叠效应以及沿着四条导线的拓扑受限电子态的干涉效应。此项研究将有利于促进基于拓扑交叉网络的低耗散电流分流器以及量子干涉元器件的设计和应用。
该工作受到中科大、中国科学院“人才计划”、国家自然科学基金委和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。
(量子信息与量子科技前沿协同创新中心)