近日，中国科学技术大学物理学院、中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室陈仙辉院士、王震宇教授与中国科学院物理研究所王志俊研究员、美国德克萨斯大学达拉斯分校吕兵教授合作，在拓扑物质的一维拓扑边界态研究中取得重要进展。结合扫描隧道显微镜和第一性原理计算，研究团队在准一维铋碘化合物α-Bi4I4单晶中揭示了一类新的拓扑物态——三维量子自旋霍尔绝缘体：它可以没有拓扑对称性指标，而由自旋陈数描述；实验确定了每层所对应的一对拓扑边界态，并验证了这些边界态的层间耦合很弱。该发现不仅进一步拓展了对拓扑物态的认识，也为在三维体材料中实现近量子化的自旋霍尔电导提供了较为理想的材料选择。相关研究成果于11月20日以 “Observation of Robust One-Dimensional Edge Channels in a Three-Dimensional Quantum Spin Hall Insulator”为题发表在《物理评论X》(Physical Review X)杂志上。
二维量子自旋霍尔绝缘体的边缘处存在一维螺旋色散的拓扑边界态。由于其自旋-轨道锁定的特征，该边界态可以承载较大的自旋流，为构建自旋电子学器件和实现马约拉纳激发提供了重要途径。然而，一维拓扑螺旋模的实现通常需要制备大尺寸、干净且稳定的二维极限下的单原子层，这对材料生长提出了巨大的挑战；在多层体系中，层间耦合往往会打开显著的杂化能隙而使得体系平庸化。虽然理论上预言一维螺旋边界态在拓扑材料中可以广泛存在，但被实验确认的材料体系非常有限。
研究团队结合扫描隧道显微镜和理论计算对α-Bi4I4单晶开展了系统的研究。该材料的原胞中存在两个Bi4I4原子层，它们之间通过中心反演相互联系。隧道谱测量发现在费米能附近存在较大的体能隙，并在单原子层台阶处观测到了一维无能隙边界态的存在。该边界态在体能隙内出现并随能量表现出近乎恒定的电子态密度分布，这是一维狄拉克色散的典型特征；同时，该边界态在空间上均匀且连续，对杂质缺陷并不敏感，支持了它们的拓扑保护属性。更重要的是，在所有的双原子层台阶处，高分辨测量也确认了两个独立的一维边界态的存在，且它们的谱学特征与单层台阶边界态几乎相同，并没有出现明显的耦合能隙，说明了该体系中一维拓扑边界态的鲁棒性。
研究团队的理论计算进一步表明，虽然α-Bi4I4具有平庸的拓扑对称指标(应被分类为平庸的绝缘体)，但它具有非零的自旋陈数，因此对应一类新的拓扑物态——三维量子自旋霍尔绝缘体。这一概念利用自旋陈数对弱拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体进行了推广：在三维量子自旋霍尔绝缘体中，三维布里渊区的每一个kz平面都具有相同的非零自旋陈数，即实空间上它由自旋陈数相同的二维量子自旋霍尔绝缘体堆叠而成，当层间耦合较弱(拓扑边缘态层间不耦合)时，每层均可贡献近量子化的自旋霍尔电导。
图.三维量子自旋霍尔绝缘体α-Bi4I4中观察到的一维拓扑边界态。a,α-Bi4I4的原子结构；b,三维量子自旋霍尔绝缘体示意图；c,单层Bi4I4能带计算；d,单层台阶(左)及双层台阶(右)处边界态分布；e, 单层及双层台阶边界态微分电导谱;f,体态能带计算。
上述实验发现与理论计算表明，α-Bi4I4是一类具有自旋陈数描述的三维量子自旋霍尔绝缘体。该结果不仅拓宽了我们对三维绝缘体中拓扑特性的认识，也为实现鲁棒的一维拓扑边界态提供了一个理想材料平台。鉴于α-Bi4I4具有较大的体能隙、无/弱层间耦合的线性色散的拓扑边界态，它有潜力成为构建拓扑自旋器件和马约拉纳器件的理想材料选择。
中国科学技术大学未来技术学院博士研究生喻水康、中国科学院物理所邓俊泽博士和德州大学达拉斯分校刘文豪博士为文章的共同第一作者；王震宇教授、陈仙辉院士、中国科学院物理所的王志俊研究员和德州大学达拉斯分校的吕兵教授为共同通讯作者。本工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省引导项目以及校创新团队项目的资助。
