中國科大在一維拓撲邊界態(tài)的研究中取得重要進展

近日，中國科學技術大學物理學院、中國科學院強耦合量子材料物理重點實驗室陳仙輝院士、王震宇教授與中國科學院物理研究所王志俊研究員、美國德克薩斯大學達拉斯分校呂兵教授合作，在拓撲物質的一維拓撲邊界態(tài)研究中取得重要進展。結合掃描隧道顯微鏡和第一性原理計算，研究團隊在準一維鉍碘化合物α-Bi4I4單晶中揭示了一類新的拓撲物態(tài)——三維量子自旋霍爾絕緣體：它可以沒有拓撲對稱性指標，而由自旋陳數(shù)描述；實驗確定了每層所對應的一對拓撲邊界態(tài)，并驗證了這些邊界態(tài)的層間耦合很弱。該發(fā)現(xiàn)不僅進一步拓展了對拓撲物態(tài)的認識，也為在三維體材料中實現(xiàn)近量子化的自旋霍爾電導提供了較為理想的材料選擇。相關研究成果于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撲邊界態(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，為構建自旋電子學器件和實現(xiàn)馬約拉納激發(fā)提供了重要途徑。然而，一維拓撲螺旋模的實現(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，這對材料生長提出了巨大的挑戰(zhàn)；在多層體系中，層間耦合往往會打開顯著的雜化能隙而使得體系平庸化。雖然理論上預言一維螺旋邊界態(tài)在拓撲材料中可以廣泛存在，但被實驗確認的材料體系非常有限。

研究團隊結合掃描隧道顯微鏡和理論計算對α-Bi4I4單晶開展了系統(tǒng)的研究。該材料的原胞中存在兩個Bi4I4原子層，它們之間通過中心反演相互聯(lián)系。隧道譜測量發(fā)現(xiàn)在費米能附近存在較大的體能隙，并在單原子層臺階處觀測到了一維無能隙邊界態(tài)的存在。該邊界態(tài)在體能隙內出現(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，該邊界態(tài)在空間上均勻且連續(xù)，對雜質缺陷并不敏感，支持了它們的拓撲保護屬性。更重要的是，在所有的雙原子層臺階處，高分辨測量也確認了兩個獨立的一維邊界態(tài)的存在，且它們的譜學特征與單層臺階邊界態(tài)幾乎相同，并沒有出現(xiàn)明顯的耦合能隙，說明了該體系中一維拓撲邊界態(tài)的魯棒性。

研究團隊的理論計算進一步表明，雖然α-Bi4I4具有平庸的拓撲對稱指標（應被分類為平庸的絕緣體），但它具有非零的自旋陳數(shù)，因此對應一類新的拓撲物態(tài)——三維量子自旋霍爾絕緣體。這一概念利用自旋陳數(shù)對弱拓撲絕緣體和高階拓撲絕緣體進行了推廣：在三維量子自旋霍爾絕緣體中，三維布里淵區(qū)的每一個kz平面都具有相同的非零自旋陳數(shù)，即實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，當層間耦合較弱（拓撲邊緣態(tài)層間不耦合）時，每層均可貢獻近量子化的自旋霍爾電導。

圖.三維量子自旋霍爾絕緣體α-Bi4I4中觀察到的一維拓撲邊界態(tài)。a,α-Bi4I4的原子結構；b,三維量子自旋霍爾絕緣體示意圖；c,單層Bi4I4能帶計算；d,單層臺階（左）及雙層臺階（右）處邊界態(tài)分布；e, 單層及雙層臺階邊界態(tài)微分電導譜;f,體態(tài)能帶計算。

上述實驗發(fā)現(xiàn)與理論計算表明，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。該結果不僅拓寬了我們對三維絕緣體中拓撲特性的認識，也為實現(xiàn)魯棒的一維拓撲邊界態(tài)提供了一個理想材料平臺。鑒于α-Bi4I4具有較大的體能隙、無/弱層間耦合的線性色散的拓撲邊界態(tài)，它有潛力成為構建拓撲自旋器件和馬約拉納器件的理想材料選擇。