Unconventional topological phase transition in two-dimensional systems with space-time inversion symmetry

본 연구에서는 2차원 일반 부도체와 위상 부도체 사이에서 생길 수 있는 새로운 위상 상전이 현상을 발견하였다. 공간 대칭성이 없는 이차원 물질이 이차원 평면의 수직방향으로 이중 회전 대칭성 (two-fold rotation symmetry)를 가지게 되면 두 에너지 밴드의 접합점에 나타나는 디락점 (Dirac point)이 양자화된 베리 위상(Berry phase)을 가지게 되는데 이런 양자화된 베리 위상 때문에 디락 준금속 (Dirac semimetal) 상태가 안정된 상으로 존재할 수 있게 된다. 이러한 이유로 일반 부도체의 원자가띠(valence band)와 전도띠(conduction band) 사이에서 에너지 반전이 생기면 항상 안정된 디락 준금속이 나타나고 디락 준금속에 존재하는 디락점들의 쌍생성/쌍소멸이 두 개의 다른 위상성질을 가지는 절연체 사이의 위상 상전이를 매개하게 된다. 이런 새로운 위상 상전이는 HgTe/CdTe heterostructure나 black phosphorus을 포함하는 많은 이차원 물질에서 구현이 될 수 있다.
In this work, we have uncovered a novel mechanism for a topological quantum phase transition in two-dimensions. When a time-reversal invariant two-dimensional noncentrosymmetric system has a two-fold rotation symmetry about an axis normal to the two-dimensional plane, a Dirac point carries a quantized pi-Berry phase. Since the quantized Berry phase guarantees the stability of the Dirac point, whenever a band inversion happens, it always leads to a transition from a normal insulator to a Dirac semimetal. We have found that the pair-creation and pair-annihilation of Dirac points mediate the topological quantum phase transition between a normal insulator and a quantum spin Hall insulator. We propose that this idea can be realized in various two-dimensional systems including HgTe/CdTe heterostructure and black phosphorus under vertical electric field.

Authors: Junyeong Ahn (서울대) and Bohm-Jung Yang (서울대)
Journal: Physical Review Letters 118, 156401 (2017)
Publication date: 10 April 2017