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Isolante topologico

Una struttura a bande idealizzata di un isolante topologico. Il livello di Fermi cade all'interno dello spazio fra le bande che è attraversato dagli stati superficiali protetti topologicamente.

Un isolante topologico è un materiale che internamente si comporta come un isolante elettrico ma che sulla superficie manifesta stati conduttivi.[1]

All'interno di un isolante topologico, la struttura elettronica a bande è simile a quella di un comune isolante a bande con il livello di Fermi che sta fra la banda di conduzione e quella di valenza. Sulla superficie di un isolante topologico esistono degli stati speciali che ricadono all'interno del bulk energy gap e permettono che si manifesti sulla superficie una conduzione di tipo metallico. I portatori di carica in questi stati superficiali hanno lo spin perpendicolare al loro momento (spin-momentum locking). Ad una data energia i soli stati elettronici disponibili hanno spin differenti così che lo "U"-turn scattering è fortemente ridotto e la conduzione sulla superficie è soprattutto di tipo metallico. Gli isolanti topologici non interagenti sono caratterizzati da un indice (detto invariante topologico Z2) simile al genere usato in topologia.[1]

Gli stati di conduzione "protetti" sulla superficie sono richiesti dalla simmetria temporale e dalla struttura elettronica delle bande del materiale. Lo stato non può essere rimosso con un processo di passivazione se non rompe la simmetria temporale. Formalmente un isolante topologico è definito come uno stato SPT (simmetry protected topological order)[2][3][4] protetto dalla conservazione del numero di particelle e dalla simmetria temporale.

  1. ^ a b C. L. Kane e E. J. Mele, Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect, in Physical Review Letters, vol. 95, n. 14, 30 settembre 2005, p. 146802, Bibcode:2005PhRvL..95n6802K, DOI:10.1103/PhysRevLett.95.146802, arXiv:cond-mat/0506581.
  2. ^ Zheng-Cheng Gu e Xiao-Gang Wen, Tensor-Entanglement-Filtering Renormalization Approach and Symmetry Protected Topological Order, Phys. Rev. B80, 155131 (2009).
  3. ^ F. Pollmann, E. Berg, Ari M. Turner e Masaki Oshikawa, Symmetry protection of topological phases in one-dimensional quantum spin systems, in Phys. Rev. B, vol. 85, n. 7, 2012, p. 075125, Bibcode:2012PhRvB..85g5125P, DOI:10.1103/PhysRevB.85.075125, arXiv:0909.4059.
  4. ^ Xie Chen, Zheng-Cheng Gu, Xiao-Gang Wen, Classification of Gapped Symmetric Phases in 1D Spin Systems Phys. Rev. B 83, 035107 (2011); Xie Chen, Zheng-Xin Liu, Xiao-Gang Wen, 2D symmetry protected topological orders and their protected gapless edge excitations Phys. Rev. B 84, 235141 (2011)

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