مقاله تئوری سطحی Chern-Simons برای عایق ها و ابررساناهای توپولوژیکی مرتبه سوم

چکیده

Three-dimensional 3rd-order topological insulators (TOTIs) and superconductors (TOTSCs), as the highestorder topological phases hosting zero corner modes in physical dimension, has sparked extensive research interest. However, such topological states have not been discovered in reality due to the lack of experimental schemes of realization. Here, we propose a novel surface Chern-Simons (CS) theory for 3rd-order topological phases, and show that the theory enables a feasible and systematic design of TOTIs and TOTSCs. We show that the emergence of zero Dirac (Majorana) corner modes is entirely captured by an emergent $\mathbb{Z}_{2}$ CS term that can be further characterized by a novel two-particle Wess-Zumino (WZ) term uncovered here in the surfaces of three-dimensional topological materials. Importantly, our proposed CS term characterization and two-particle WZ term mechanism provide a unique perspective to design TOTIs (TOTSCs) in terms of minimal ingredients, feasibly guiding the search for underlying materials, with promising candidates being discussed. This work shall advance both the theoretical and experimental research for highest-order topological matters.

چکیده به فارسی (ترجمه ماشینی)

عایق های توپولوژیکی سه بعدی مرتبه 3 بعدی (TOTIS) و ابررسانا (TOTSC) ، به عنوان مراحل توپولوژیکی بالا که میزبان حالت های گوشه صفر در ابعاد فیزیکی هستند ، باعث افزایش علاقه تحقیقاتی شده است.با این حال ، چنین حالات توپولوژیکی به دلیل عدم وجود طرح های آزمایشی تحقق در واقعیت کشف نشده است.در اینجا ، ما یک تئوری جدید چرن-سیمون (CS) برای مراحل توپولوژیکی مرتبه 3 پیشنهاد می کنیم و نشان می دهیم که این تئوری یک طراحی امکان پذیر و منظم از TOTIS و TOTSC را امکان پذیر می کند.ما نشان می دهیم که ظهور حالت های گوشه صفر Dirac (Majorana) کاملاً توسط یک $ \ mathbb {z} _ {2} $ cs اصطلاح CS که می تواند بیشتر توسط یک اصطلاح رمان دو ذرات Wess-Zumino (WZ) مشخص شود ، ضبط می شود.در اینجا در سطوح مواد توپولوژیکی سه بعدی کشف نشده است.نکته مهم ، توصیف اصطلاح CS پیشنهادی ما و مکانیسم اصطلاح دو ذرات WZ ، چشم انداز منحصر به فردی را برای طراحی TOTIS (TOTSC) از نظر حداقل مواد تشکیل دهنده فراهم می کند ، که به طور ممکن هدایت جستجوی مواد زیرین را انجام می دهد ، و نامزدهای امیدوارکننده آن مورد بحث قرار می گیرند.این کار باید تحقیقات نظری و تجربی را برای مسائل توپولوژیکی با بالاترین نظم پیش ببرد.