物性物理学：トポロジカル絶縁体におけるバルク欠陥に捕捉された分数電荷

トポロジカル結晶絶縁体（TCI）は、分数電気分極や境界局在分数電荷などの異常な量子化された電気的現象を示すことがある。この量子化された分数電荷は、より高次のトポロジーを持つTCIを含めて、明確なスペクトル的特徴を示さないTCIを特定するための一般的なオブザーバブルである。分数電荷はまた、結晶欠陥がTCIの格子構造を分断している場所も明らかにできると予想されており、これによって結晶トポロジーのバルクプローブが得られる可能性がある。しかし、最近までTCIの電荷分布を測定できなかったことから、この可能性はまだ実験で確認されていない。今回我々は、TCIメタマテリアルにおいて回位欠陥が分数電荷をロバストに捕捉できることを実験的に実証するとともに、この捕捉された電荷が、スペクトル的特徴がない場合でも、より高次の非自明な結晶トポロジーを示し得ることを示す。さらに我々は、捕捉された電荷と、こうした欠陥に局在するトポロジカル束縛状態の存在の間の関係性を明らかにする。こうしたトポロジカルな特徴について、保護的な結晶対称性が破れたときのロバスト性を調べたところ、単一のロバストな束縛状態が、分数電荷と共に各回位に局在し得ることが見いだされた。今回の結果は、TCIにおける回位欠陥が分数電荷とトポロジカル束縛状態を強く捕捉できることを決定的に示しており、結晶トポロジーのプローブとして分数電荷が何よりも重要であることを実証している。

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