中國(guó)科大在一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)的研究中取得重要進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳仙輝院士、王震宇教授與中國(guó)科學(xué)院物理研究所王志俊研究員、美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校呂兵教授合作，在拓?fù)湮镔|(zhì)的一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)研究中取得重要進(jìn)展。結(jié)合掃描隧道顯微鏡和第一性原理計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)在準(zhǔn)一維鉍碘化合物α-Bi4I4單晶中揭示了一類新的拓?fù)湮飸B(tài)——三維量子自旋霍爾絕緣體：它可以沒(méi)有拓?fù)鋵?duì)稱性指標(biāo)，而由自旋陳數(shù)描述；實(shí)驗(yàn)確定了每層所對(duì)應(yīng)的一對(duì)拓?fù)溥吔鐟B(tài)，并驗(yàn)證了這些邊界態(tài)的層間耦合很弱。該發(fā)現(xiàn)不僅進(jìn)一步拓展了對(duì)拓?fù)湮飸B(tài)的認(rèn)識(shí)，也為在三維體材料中實(shí)現(xiàn)近量子化的自旋霍爾電導(dǎo)提供了較為理想的材料選擇。相關(guān)研究成果于11月20日以 “Observation of Robust One-Dimensional Edge Channels in a Three-Dimensional Quantum Spin Hall Insulator”為題發(fā)表在《物理評(píng)論X》（Physical Review X）雜志上。

二維量子自旋霍爾絕緣體的邊緣處存在一維螺旋色散的拓?fù)溥吔鐟B(tài)。由于其自旋-軌道鎖定的特征，該邊界態(tài)可以承載較大的自旋流，為構(gòu)建自旋電子學(xué)器件和實(shí)現(xiàn)馬約拉納激發(fā)提供了重要途徑。然而，一維拓?fù)渎菪５膶?shí)現(xiàn)通常需要制備大尺寸、干凈且穩(wěn)定的二維極限下的單原子層，這對(duì)材料生長(zhǎng)提出了巨大的挑戰(zhàn)；在多層體系中，層間耦合往往會(huì)打開(kāi)顯著的雜化能隙而使得體系平庸化。雖然理論上預(yù)言一維螺旋邊界態(tài)在拓?fù)洳牧现锌梢詮V泛存在，但被實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的材料體系非常有限。

研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合掃描隧道顯微鏡和理論計(jì)算對(duì)α-Bi4I4單晶開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。該材料的原胞中存在兩個(gè)Bi4I4原子層，它們之間通過(guò)中心反演相互聯(lián)系。隧道譜測(cè)量發(fā)現(xiàn)在費(fèi)米能附近存在較大的體能隙，并在單原子層臺(tái)階處觀測(cè)到了一維無(wú)能隙邊界態(tài)的存在。該邊界態(tài)在體能隙內(nèi)出現(xiàn)并隨能量表現(xiàn)出近乎恒定的電子態(tài)密度分布，這是一維狄拉克色散的典型特征；同時(shí)，該邊界態(tài)在空間上均勻且連續(xù)，對(duì)雜質(zhì)缺陷并不敏感，支持了它們的拓?fù)浔Ｗo(hù)屬性。更重要的是，在所有的雙原子層臺(tái)階處，高分辨測(cè)量也確認(rèn)了兩個(gè)獨(dú)立的一維邊界態(tài)的存在，且它們的譜學(xué)特征與單層臺(tái)階邊界態(tài)幾乎相同，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的耦合能隙，說(shuō)明了該體系中一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)的魯棒性。

研究團(tuán)隊(duì)的理論計(jì)算進(jìn)一步表明，雖然α-Bi4I4具有平庸的拓?fù)鋵?duì)稱指標(biāo)（應(yīng)被分類為平庸的絕緣體），但它具有非零的自旋陳數(shù)，因此對(duì)應(yīng)一類新的拓?fù)湮飸B(tài)——三維量子自旋霍爾絕緣體。這一概念利用自旋陳數(shù)對(duì)弱拓?fù)浣^緣體和高階拓?fù)浣^緣體進(jìn)行了推廣：在三維量子自旋霍爾絕緣體中，三維布里淵區(qū)的每一個(gè)kz平面都具有相同的非零自旋陳數(shù)，即實(shí)空間上它由自旋陳數(shù)相同的二維量子自旋霍爾絕緣體堆疊而成，當(dāng)層間耦合較弱（拓?fù)溥吘墤B(tài)層間不耦合）時(shí)，每層均可貢獻(xiàn)近量子化的自旋霍爾電導(dǎo)。

圖.三維量子自旋霍爾絕緣體α-Bi4I4中觀察到的一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)。a,α-Bi4I4的原子結(jié)構(gòu)；b,三維量子自旋霍爾絕緣體示意圖；c,單層Bi4I4能帶計(jì)算；d,單層臺(tái)階（左）及雙層臺(tái)階（右）處邊界態(tài)分布；e, 單層及雙層臺(tái)階邊界態(tài)微分電導(dǎo)譜;f,體態(tài)能帶計(jì)算。

上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與理論計(jì)算表明，α-Bi4I4是一類具有自旋陳數(shù)描述的三維量子自旋霍爾絕緣體。該結(jié)果不僅拓寬了我們對(duì)三維絕緣體中拓?fù)涮匦缘恼J(rèn)識(shí)，也為實(shí)現(xiàn)魯棒的一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)提供了一個(gè)理想材料平臺(tái)。鑒于α-Bi4I4具有較大的體能隙、無(wú)/弱層間耦合的線性色散的拓?fù)溥吔鐟B(tài)，它有潛力成為構(gòu)建拓?fù)渥孕骷婉R約拉納器件的理想材料選擇。