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近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴團(tuán)隊(duì)與普林斯頓大學(xué)Hasan團(tuán)隊(duì)、德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Bing Lv團(tuán)隊(duì),、清華大學(xué)楊樂仙團(tuán)隊(duì)等合作,，通過電輸運(yùn)測(cè)量和角分辨光電子能譜技術(shù)在拓?fù)浣^緣體α-Bi₄Br₄中相繼探測(cè)到拓?fù)淅鈶B(tài)模式，這是首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到與拓?fù)淅鈶B(tài)相關(guān)的量子效應(yīng),，對(duì)于深入理解拓?fù)湮飸B(tài)的性質(zhì)以及推動(dòng)拓?fù)洳牧系膽?yīng)用具有重要意義,。

拓?fù)浣^緣體是一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，其內(nèi)部是絕緣的,，但表面或邊緣卻具有導(dǎo)電性,，并且這種表面或邊緣態(tài)不會(huì)受到非磁雜質(zhì)的背散射，可實(shí)現(xiàn)理想的無耗散導(dǎo)電通道,，在低能耗電子器件,、自旋電子學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。然而,，要深入了解拓?fù)浣^緣體的性質(zhì)并推動(dòng)其應(yīng)用,，就需要發(fā)現(xiàn)性能優(yōu)良的拓?fù)洳牧希?duì)拓?fù)鋺B(tài)進(jìn)行精確的測(cè)量和控制,。雖然之前人們已經(jīng)對(duì)大量的二維表面態(tài)的輸運(yùn)響應(yīng)進(jìn)行了研究,，但一維拓?fù)淅鈶B(tài)的量子輸運(yùn)響應(yīng)尚未得到證實(shí)。姚裕貴團(tuán)隊(duì)及其合作者十多年來一直致力于尋找和研究具有優(yōu)良性能（比如大能隙,、Dirac點(diǎn)位于費(fèi)米能級(jí)附近等）的拓?fù)浣^緣體材料體系,，如2014年他們預(yù)言了一種可行的大能隙拓?fù)浣^緣體材料，即Bi₄Br₄和Bi₄I₄體系,。Bi₄Br₄單晶是具有層狀結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體,，層間耦合是弱的范德瓦爾斯作用，理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)其單層結(jié)構(gòu)是量子自旋霍爾絕緣體且體能隙遠(yuǎn)高于室溫條件[Nano Lett. 14, 4767 (2014)],。研究還發(fā)現(xiàn)Bi₄Br₄是探測(cè)室溫量子自旋霍爾絕緣態(tài)的絕佳材料體系,，一方面單層Bi₄Br₄是由無限長(zhǎng)的一維鏈并排組成，鏈間的耦合相比鏈內(nèi)耦合很弱,，這種準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)特性有利于形成原子級(jí)平整的邊緣,，另一方面，由于極弱的層間耦合,，量子自旋霍爾絕緣態(tài)可以穩(wěn)定地存在于單晶Bi₄Br₄表面的臺(tái)階邊緣上[NJP 17, 015004 (2015)],。

此后,，依托學(xué)校量子物理實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)，姚裕貴團(tuán)隊(duì)對(duì)Bi₄Br₄和Bi₄I₄體系展開了全鏈條式的理論與實(shí)驗(yàn)研究：理論上發(fā)現(xiàn)單晶β-Bi₄Br₄和β-Bi₄I₄是弱拓?fù)浣^緣體[PRL 116, 066801 (2016)],，并被發(fā)表在Nature上的實(shí)驗(yàn)工作證實(shí)；團(tuán)隊(duì)迅速制備了高質(zhì)量的Bi₄Br₄單晶,，并獲得了生長(zhǎng)專利的授權(quán),；利用高壓技術(shù)，在壓力調(diào)控下同時(shí)觀測(cè)到超導(dǎo)現(xiàn)象和拓?fù)湫再|(zhì),，表明該體系有可能是拓?fù)涑瑢?dǎo)體[PNAS 116, 17696 (2019],；結(jié)合光學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)邊緣存在較強(qiáng)的紅外吸收,，且拓?fù)溥吘墤B(tài)上激發(fā)載流子壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于體態(tài),，表明該材料有應(yīng)用于紅外光學(xué)和光電探測(cè)的潛力[Sci. Bull. 68, 417 (2023)]; 把Bi₄Br₄作為飽和吸收體應(yīng)用到光纖激光器中，得到了穩(wěn)定的紅外脈沖激光輸出[APL 120, 053108 (2022)],；與合作者共同發(fā)現(xiàn)了室溫量子自旋霍爾邊緣態(tài)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)[Nature Materials 21, 1111 (2022)]. 更多相關(guān)工作見姚裕貴教授受邀撰寫該體系的研究綜述[Adv. in Phys. X, 7:1, 2057234 (2022)],。

近期物理學(xué)院姚裕貴教授、周金健教授,、韓俊峰教授等人與清華大學(xué)楊樂仙團(tuán)隊(duì)及合作者等利用亞微米空間及自旋分辨的角分辨光電子能譜研究了α-Bi₄Br₄的表面電子結(jié)構(gòu),，并首次在（100）表面上觀察到具有劈裂特征的表面態(tài)和表面態(tài)能隙。研究還發(fā)現(xiàn)表面態(tài)的自旋動(dòng)量鎖定特征,，以及表面態(tài)的能隙內(nèi)存在額外的無能隙電子態(tài),，表明體系內(nèi)存在一維拓?fù)淅鈶B(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第一性原理計(jì)算高度吻合,，為α-Bi₄Br₄的高階拓?fù)浣^緣相提供了令人信服的證據(jù),。研究成果發(fā)表于Nature Communications 14, 8089 (2023)。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43882-z

之后,，姚裕貴教授,、王秩偉教授等人和普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)等合作，利用量子輸運(yùn)測(cè)量手段,，通過對(duì)4層和6層α-Bi₄Br₄的磁阻測(cè)量,，觀察到振蕩周期性為h/e（其中h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷）的Aharonov-Bohm振蕩現(xiàn)象,，其中當(dāng)磁場(chǎng)與a軸夾角為17°時(shí)取得極值,，表明Aharonov-Bohm振蕩是由樣品bc面上棱態(tài)的相干載流子產(chǎn)生，是電子圍繞拓?fù)淅鈶B(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的量子干涉的結(jié)果,，這為拓?fù)淅鈶B(tài)的存在及其載流子的量子輸運(yùn)行為提供了直接證據(jù),。圖1和圖2分別是4層和6層α-Bi₄Br₄中觀測(cè)到的角度依賴的Aharonov–Bohm振蕩。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近的Nature Physics (2024),。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02388-1

圖1. 在4層α-Bi₄Br₄中觀測(cè)到的角度依賴的Aharonov–Bohm振蕩,。

圖2. 在6層α-Bi₄Br₄中觀測(cè)到的Aharonov–Bohm振蕩,。

總之，團(tuán)隊(duì)成員和合作者通過不同研究手段對(duì)α-Bi₄Br₄拓?fù)浣^緣體開展了深入研究,，從量子輸運(yùn)測(cè)量上觀察到Aharonov-Bohm振蕩現(xiàn)象,，首次從量子輸運(yùn)測(cè)量上探測(cè)到了與拓?fù)淅鈶B(tài)相對(duì)應(yīng)的量子現(xiàn)象；通過ARPES測(cè)量觀察到一維拓?fù)淅鈶B(tài)的存在,。這些發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對(duì)拓?fù)潆娮訉W(xué)的理解,，也為未來拓?fù)潆娮悠骷难邪l(fā)提供了新的方向。

上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目,、北京自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。