《自然·材料》封面：北理工首次在室温下观测到量子自旋霍尔边缘态

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发布时间：2022-10-28

光子盒研究院出品

物理学家首次在室温下的拓扑绝缘体中观察到新的量子效应：北京理工大学物理学院姚裕贵团队与普林斯顿大学M. Zahid Hasan团队合作探索一种基于铋（Bi）元素的拓扑材料时取得了这一进展。相关成果以《高阶拓扑绝缘体中的室温量子自旋霍尔边缘态的证据》为题[1]，并作为《自然·材料》10月刊的封面文章发表。

拓扑绝缘体的自旋边缘态：亟待研究

拓扑绝缘体是一种在其内部表现为绝缘体的材料，但其表面含有受保护的导电状态。二维（2D）拓扑绝缘体的特点是在绝缘体间隙中具有时间反转对称性保护的自旋边缘态，并相应地表现出量子自旋霍尔效应。自旋边缘态的特点是沿着样品边缘的无耗散电子通道，这在节能技术和量子信息科学中具有极大的意义。

在拓扑绝缘体候选材料中，Bi4Br4具有类似范德华键的层状结构，并被认为具有较大的绝缘间隙和较弱的层间耦合；因此，单层Bi4Br4有可能在独立和块状环境中实现高温量子自旋霍尔态。

a）量子自旋霍尔边缘态的示意图：在实空间中具有自旋上升（红色）和自旋下降（蓝色）无耗散通道的反传播自旋边缘态（左）；在表面动量空间中具有红色和蓝色带的相同拓扑边缘态（卡通视图）投影（右）。边缘态源于体带反转，它由橙色和浅蓝色带子勾勒出来。b）α-Bi4Br4的三维晶体结构，单层的俯视图（右下角）和块体的侧视图（右上角）。c）从侧面看的扫描透射电子显微镜图像，显示原子层间AB堆积（AB stacking）。浅蓝色的曲线是在表面的不同位置拍摄的差异光谱，深蓝色的曲线表示平均光谱。

不过，在寻求将该材料和装置应用于功能设备的过程中，一直存在着一个重大的绊脚石。“人们对拓扑材料有很大的兴趣，人们经常谈论它们在实际应用中的巨大潜力，”普林斯顿大学教授、本文通讯作者M. Zahid Hasan说[2]：“但是，直到一些宏观的量子拓扑效应能够在室温下表现出来之前，这些应用可能仍然无法实现。”

这是因为环境或高温会产生物理学家所说的“热噪声（thermal noise）”，它被定义为温度上升，使原子开始剧烈振动；这种行为会破坏微妙的量子系统，从而使量子态坍缩。特别是在拓扑绝缘体中，这些较高的温度会造成一种情况，即绝缘体表面的电子侵入绝缘体的内部，并导致那里的电子也开始导电，这将稀释或破坏特殊的量子效应。

绕过这一点的方法是将此类实验置于特别低的温度下，通常是在绝对零度或接近绝对零度的温度下。在这些令人难以置信的低温下，原子和亚原子粒子会停止振动，因此更容易被操纵。然而，创造和维持一个超冷环境对许多应用来说是不切实际的：它成本高，体积大，而且需要消耗大量的能量。

因此，对拓扑绝缘体的边缘态性质进行具有原子层空间分辨率、磁场可调性和温度控制的空间实验研究是非常可取的。

室温下的拓扑绝缘体，推动量子前沿发展

近日，Hasan团队开发出了一种创新的方法：基于他们在拓扑材料方面的经验，并与许多合作者合作，他们制造了一种由溴化铋（化学式为α-Bi4Br4）制成的新型拓扑绝缘体，这是一种无机的结晶化合物，有时用于水处理和化学分析。

“这实在是太令人激动了，我们在没有巨大压力或超高磁场的情况下发现了它们，从而使这些材料更容易用于开发下一代量子技术。”普林斯顿大学博士、电子和计算机工程博士后研究助理、该论文的三位共同第一作者之一Nana Shumiya说：“我相信我们的发现将大大推动量子前沿的发展。”

这一发现的根源在于量子霍尔效应（一种拓扑效应）的工作原理。

Hasan团队在2007年发现第一个三维拓扑绝缘体的例子后，一直在寻找一种也可能在室温下工作的拓扑量子态；历时十年，他们终于在一个能够在室温下工作的戈薇晶格（kagome lattice）中发现了一个解决霍尔猜想的材料方案，该方案也表现出所需的量子化。

“戈薇晶格拓扑绝缘体可以被设计成拥有相对论带交叉和强电子-电子相互作用。”Hasan说：“这两者对于新型的磁性都是至关重要的。因此，我们意识到，戈薇晶格是一个很有前途的系统，可以在其中寻找拓扑磁体相，因为它们就像我们十多年前发现和研究的拓扑绝缘体。”

“合适的原子化学和结构设计加上第一原理理论，是使拓扑绝缘体的推测预测在高温环境下成为现实的关键步骤，”Hasan说：“有数百种拓扑材料，我们既需要直觉、经验、特定材料的计算，也需要紧张的实验努力，最终找到合适的材料进行深入探索。而这使我们走上了长达十年的调查许多铋基材料的旅程。”

绝缘体，像半导体一样，有所谓的绝缘，或带隙：这些实质上是轨道电子之间的“障碍”，是一种电子无法进入的“无人区”。这些带隙极为重要，因为除其他外，它们是克服热噪声对实现量子态的限制的关键。

如果带隙的宽度超过了热噪声的宽度，它们就能做到这一点。但过大的带隙有可能破坏电子的自旋-轨道耦合：这是电子的自旋和它围绕原子核的轨道运动之间的相互作用。当这种破坏发生时，拓扑量子态就会坍塌。因此，诱发和维持量子效应的诀窍是在大带隙和自旋-轨道耦合效应之间找到一个平衡。

Hasan团队研究了溴化铋系列材料，团队发现，与他们之前研究的基于铋-锑的拓扑绝缘体（Bi-Sb合金）相比，溴化铋绝缘体的特性使其更加理想：它有一个超过200meV（毫电子伏）的大绝缘间隙。这大到足以克服热噪声，但小到足以不破坏自旋-轨道耦合效应和带状反转拓扑结构。

室温下的边缘态。a）取自表面和边缘的随温度变化的差分光谱，分别用蓝色和红色曲线表示（在b中相应的地形图图像中标记的位置；蓝色曲线是蓝色标记区域的平均数）。b）在T=300、200和100K（V=0 mV）时在单层阶梯边缘上拍摄的地形图和相应的差分电导图，捕捉到了边缘态的温度鲁棒性。c）在T=300K时沿a轴方向拍摄的一系列线谱的强度图（在b中相应的地形图上用红线标记；扫描方向用箭头标记），显示了室温下无间隙边缘态的存在。

“在这种情况下，我们在实验中发现了自旋-轨道耦合效应和大带隙宽度之间的平衡。”Hasan说：“我们发现有一个‘甜点位’，在那里科学家可以有相对大的自旋轨道耦合来创造一个拓扑扭曲、以及提高带隙而不破坏它。这有点像我们长期研究的铋基材料的一个平衡点。”

当研究人员通过亚原子分辨率的扫描隧道显微镜观察实验中的情况时，他们知道他们已经实现了他们的目标，这是一种独特的设备，利用一种被称为“量子隧道”的特性，电子在显微镜尖锐的金属单原子尖端和样品之间被漏掉。该显微镜利用这种隧道电流而不是光来观察原子尺度上的电子世界。最终，研究人员观察到一个清晰的量子自旋霍尔边缘态，这是在拓扑系统中独特存在的重要特性之一。

Hasan说：“我们第一次证明了有一类铋基拓扑材料，其拓扑结构在室温下仍然存在。”

未来纳米技术的发展起点：将加速更高效、绿色的量子材料开发

这一发现是多年来来之不易的实验工作的结晶，15年来，Hasan一直是实验性量子拓扑材料领域的领先研究者，拥有新颖的实验方法；事实上，他也是该领域的早期先驱研究者之一。

例如，在2005年至2007年期间，他和他的研究团队用新颖的实验方法在三维铋锑块状固体、半导电合金和相关的拓扑狄拉克材料中发现了拓扑秩序：这导致了拓扑磁性材料的发现；在2014年和2015年之间，他们发现了一类新的拓扑材料，称为磁性外尔半金属。

研究人员认为，这一突破将为未来大量的研究可能性和量子技术的应用打开大门。

Hasan实验室的博士后研究助理、该研究的另一位共同第一作者Shafayat Hossain说：“我们相信这一发现可能是未来纳米技术发展的起点。在拓扑技术方面已经有许多拟议的可能性在等待着，而找到合适的材料加上新颖的仪器是其中的关键。”

Hasan和他的团队认为这一突破将对下一代量子技术产生特别影响的一个研究领域：将加速开发更高效、更“绿色”的量子材料。

Hasan说，目前，该团队的理论和实验重点集中在两个方向：