【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中國科學(xué)院強(qiáng)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(xué)院物理研究所王志俊研究員、美國德克薩斯大學(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算，研究團(tuán)隊在準(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：它可以沒有拓?fù)鋵ΨQ性指標(biāo)，而由自旋陳數(shù)描述；實驗確定了每層所對應(yīng)的一對拓?fù)溥吔鐟B(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(jìn)一步拓展了對拓?fù)湮飸B(tài)的認(rèn)識，也為在三維體材料中實現(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膶崿F(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(yù)言一維螺旋邊界態(tài)在拓?fù)洳牧现锌梢詮V泛存在，但被實驗確認(rèn)的材料體系非常有限。
 

　　研究團(tuán)隊結(jié)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(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，該邊界態(tài)在空間上均勻且連續(xù)，對雜質(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階處，高分辨測量也確認(rèn)了兩個獨立的一維邊界態(tài)的存在，且它們的譜學(xué)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?fù)溥吔鐟B(tài)的魯棒性。
 

　　研究團(tuán)隊的理論計算進(jìn)一步表明，雖然α-Bi4I4具有平庸的拓?fù)鋵ΨQ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(dāng)層間耦合較弱(拓?fù)溥吘墤B(tài)層間不耦合)時，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(dǎo)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(jié)果不僅拓寬了我們對三維絕緣體中拓?fù)涮匦缘恼J(rèn)識，也為實現(xiàn)魯棒的一維拓?fù)溥吔鐟B(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?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。
 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院博士研究生喻水康、中國科學(xué)院物理所鄧俊澤博士和德州大學(xué)達(dá)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(xué)院物理所的王志俊研究員和德州大學(xué)達(dá)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(xué)基金委、中國科學(xué)院、安徽省引導(dǎo)項目以及校創(chuàng)新團(tuán)隊項目的資助。