【儀表網 研發快訊】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——三維量子自旋霍爾絕緣體：它可以沒有拓撲對稱性指標，而由自旋陳數描述；實驗確定了每層所對應的一對拓撲邊界態，并驗證了這些邊界態的層間耦合很弱。該發現不僅進一步拓展了對拓撲物態的認識，也為在三維體材料中實現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。由于其自旋-軌道鎖定的特征，該邊界態可以承載較大的自旋流，為構建自旋電子學器件和實現馬約拉納激發提供了重要途徑。然而，一維拓撲螺旋模的實現通常需要制備大尺寸、干凈且穩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；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系。隧道譜測量發現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的存在。該邊界態在體能隙內出現并隨能量表現出近乎恒定的電子態密度分布，這是一維狄拉克色散的典型特征；同時，該邊界態在空間上均勻且連續，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的存在，且它們的譜學特征與單層臺階邊界態幾乎相同，并沒有出現明顯的耦合能隙，說明了該體系中一維拓撲邊界態的魯棒性。
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，因此對應一類新的拓撲物態——三維量子自旋霍爾絕緣體。這一概念利用自旋陳數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，三維布里淵區的每一個kz平面都具有相同的非零自旋陳數，即實空間上它由自旋陳數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。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)處邊界態分布；e, 單層及雙層臺階邊界態微分電導譜;f,體態能帶計算。
上述實驗發現與理論計算表明，α-Bi4I4是一類具有自旋陳數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，也為實現魯棒的一維拓撲邊界態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，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。
中國科學技術大學未來技術學院博士研究生喻水康、中國科學院物理所鄧俊澤博士和德州大學達拉斯分校劉文豪博士為文章的共同第一作者；王震宇教授、陳仙輝院士、中國科學院物理所的王志俊研究員和德州大學達拉斯分校的呂兵教授為共同通訊作者。本工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省引導項目以及校創新團隊項目的資助。
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