清華新聞網(wǎng)12月8日電 體邊對(duì)應(yīng)是拓?fù)淞孔硬牧系暮诵奶卣髦弧＠纾谌S拓?fù)浣^緣體中，體態(tài)是絕緣的，但是在表面上存在受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的二維無(wú)能隙表面態(tài)。高階拓?fù)浣^緣體（HOTI）是對(duì)這一概念的推廣。在高階拓?fù)浣^緣體中，受對(duì)稱性保護(hù)的無(wú)能隙態(tài)局域在比三維塊體低兩個(gè)或者更多個(gè)維度的邊界處 （例如一維的拓?fù)淅鈶B(tài)）。迄今為止，許多材料被預(yù)測(cè)為高階拓?fù)洳牧希ɡ缃饘貰i），但對(duì)這些材料的實(shí)驗(yàn)研究仍然不充分或存在一定爭(zhēng)議。
準(zhǔn)一維材料鉍基鹵化物Bi4X4（X= Br, I）由四個(gè)鉍原子和四個(gè)鹵族原子形成結(jié)構(gòu)單元并沿b軸延伸形成鏈狀結(jié)構(gòu)。Bi4X4鏈沿兩個(gè)垂直鏈方向堆疊形成單晶。鉍基鹵化物由于其中存在的豐富物相而成為研究各種低維新奇拓?fù)湮飸B(tài)，包括高階拓?fù)浣^緣體、弱拓?fù)浣^緣體等的理想平臺(tái)。其中Bi4Br4被理論預(yù)言為高階拓?fù)浣^緣體。然而，目前依然缺乏對(duì)其特征性的高階拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)（例如表面態(tài)能隙及能隙內(nèi)的棱態(tài)）的直接觀測(cè)。
近期，清華大學(xué)物理系楊樂仙副教授課題組和合作者利用先進(jìn)的亞微米空間及自旋分辨的角分辨光電子能譜，系統(tǒng)地研究了Bi4Br4的電子結(jié)構(gòu)（圖1）。研究人員首次在（100）表面上觀察到具有劈裂特征的表面態(tài)并直接觀測(cè)到表面態(tài)能隙。實(shí)驗(yàn)還揭示了此（100）表面態(tài)的自旋動(dòng)量鎖定特征，這些結(jié)果與第一性原理計(jì)算高度吻合。此外，實(shí)驗(yàn)顯示在（100）表面態(tài)的能隙內(nèi)存在額外的無(wú)能隙電子態(tài)，表明了體系內(nèi)一維拓?fù)淅鈶B(tài)的存在。以上研究結(jié)果為Bi4Br4的高階拓?fù)浣^緣相提供了令人信服的證據(jù)，使得Bi4Br4成為探索一維邊界態(tài)電子特性及其潛在應(yīng)用的理想材料平臺(tái)。
圖1.a. Z2拓?fù)浣^緣體（左）和高階拓?fù)浣^緣體（右）的電子結(jié)構(gòu)示意圖。BCB：體導(dǎo)帶；TSS: 拓?fù)浔砻鎽B(tài)；BVB: 體價(jià)帶。b. Bi4Br4垂直鏈方向的掃描透射電子顯微鏡成像。c. 利用微區(qū)角分辨光電子能譜測(cè)量Bi4Br4電子結(jié)構(gòu)的示意圖。d. 第一性原理計(jì)算得到的電子結(jié)構(gòu)，綠色和紅色曲線分別表示（100）表面態(tài)和拓?fù)淅鈶B(tài)。e. Bi4Br4（100）面的能帶測(cè)量結(jié)果。f. 去卷積后的能帶測(cè)量結(jié)果。g. 特定能量位置下的電子自旋極化率。
此外，楊樂仙課題組及合作者還利用角分辨光電子能譜對(duì)弱拓?fù)浣^緣體Bi4Br2I2的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。Bi4Br2I2由三種不同的量子自旋霍爾絕緣體交替堆疊形成，每層均具有拓?fù)浞瞧椒驳倪吘墤B(tài)。角分辨光電子能譜和第一性原理計(jì)算表明，由于層間相互作用，對(duì)應(yīng)于不同層的狄拉克錐的交叉點(diǎn)上打開了能隙。利用這一獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)，人們可以通過改變化學(xué)勢(shì)來調(diào)控體系內(nèi)可供導(dǎo)電的量子自旋霍爾通道。
相關(guān)研究成果分別以“高階拓?fù)浣^緣體Bi4Br4的拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)及自旋結(jié)構(gòu)”（Topological electronic structure and spin texture of quasi-one-dimensional higher-order topological insulator Bi4Br4）和“通向弱拓?fù)浣^緣體Bi4Br2I2中可調(diào)控的量子自旋霍爾通道”（Towards layer-selective quantum spin hall channels in weak topological insulator Bi4Br2I2）為題在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）上。
“高階拓?fù)浣^緣體Bi4Br4的拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)及自旋結(jié)構(gòu)”的第一作者為物理系2021級(jí)博士生趙文軒，通訊作者為清華大學(xué)楊樂仙副教授、牛津大學(xué)陳宇林教授、北京理工大學(xué)周金健教授和北京航空航天大學(xué)杜軼教授。“通向弱拓?fù)浣^緣體Bi4Br2I2中可調(diào)控的量子自旋霍爾通道”的共同第一作者為北京航空航天大學(xué)博士生鐘景元、楊明、石志堅(jiān)，通訊作者為北京航空航天大學(xué)杜軼教授、莊金呈副教授、王建峰副教授與清華大學(xué)楊樂仙副教授。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃以及表面物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室科技基金等科研經(jīng)費(fèi)的支持。
論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1038/s41467-023-43882-z
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40735-7
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
