Abstract

In this paper, we propose a new electrical breakdown mechanism for exciton insulators in the BCS limit, which differs fundamentally from the Zener breakdown mechanism observed in traditional band insulators. Our new mechanism results from the instability of the many-body ground state for exciton condensation, caused by the strong competition between the polarization and condensation energies in the presence of an electric field. We refer to this mechanism as “many-body breakdown”. To investigate this new mechanism, we propose a BCS-type trial wave function under finite electric fields and use it to study the many-body breakdown numerically. Our results reveal two different types of electric breakdown behavior. If the system size is larger than a critical value, the Zener tunnelling process is first turned on when an electrical field is applied, but the excitonic gap remains until the field strength reaches the critical value of the many-body breakdown, after which the excitonic gap disappears and the system becomes a highly conductive metallic state. However, if the system size is much smaller than the critical value, the intermediate tunnelling phase disappears since the many-body breakdown happens before the onset of Zener tunnelling. The sudden disappearance of the local gap leads to an “off-on” feature in the current-voltage (I − V ) curve, providing a straightforward way to distinguish excitonic insulators from normal insulators.

报告人简介

戴希教授1971年7月出生于杭州，1989－1996在浙江大学攻读本科和硕士研究生，1999在中国科学院理论物理研究所获理学博士学位，随后在香港科技大学、美国波士顿学院、美国罗格斯大学、和香港大学做博士后研究，2006年任中国科学院物理研究所研究员，2009年任北京凝聚态物理国家实验室副主任。2017年九月戴希加入香港科技大学物理系，目前担任香港科技大学讲座教授。

戴希教授于2011年获国家杰出青年基金。 在2011年度他还获得了中国科学院青年科学家奖、香港求是科技集体成就奖、中国青年科技奖、中国科学院杰出科技成就奖等荣誉，2012年度他荣获国际华人物理与天文学亚洲学术成就奖，2014年获得香港周光召基金会授予的基础科学奖，2017年获得中国物理学会周培源物理奖。2018年戴希教授被评为美国物理学会会士（APS fellow），同年十月美国物理学会宣布戴希教授与其他两位美国和德国科学家一起，荣获2019年度美国物理学会”James C. McGroddy Prize for New Materials”，2024年戴希教授与其他四位合作者一起获得了中国自然科学一等奖。

戴希教授一直从事强关联电子材料的第一性原理计算研究，共发表SCI论文100余篇，总引用两万五千余次。近年来他在铁基超导、拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应和外尔半金属方面的一系列重要学术成果在国际上产生重要影响。他与合作者一起发现了到目前为止最重要的拓扑绝缘体材料体系─Bi2Se3家族，并提出了能正确描写该材料体系拓扑电子结构的低能有效模型；他与合作者一起预言了在这类拓扑绝缘体薄膜中掺入磁性元素将有可能实现量子反常霍尔效应。这一系列工作在国际学术界引起强烈反响，被科技部评为2010年度中国科技十大新闻。2013年3月，由中科院物理所和清华大学组成的联合实验团队，经过3年的艰苦努力，终于在Cr掺杂的Bi2Te3薄膜中观测到了量子反常霍尔效应，验证了这一理论预言。2015年戴希与合作者一些，通过计算成功预言了以TaAs为代表的一系列重要的外尔半金属材料，再次引起了学术界的广泛关注。