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近日，北京理工大學物理學院姚裕貴團隊與普林斯頓大學Hasan團隊、德克薩斯大學達拉斯分校Bing Lv團隊、清華大學楊樂仙團隊等合作，通過電輸運測量和角分辨光電子能譜技術在拓撲絕緣體α-Bi₄Br₄中相繼探測到拓撲棱態模式，這是首次在實驗上觀察到與拓撲棱態相關的量子效應，對于深入理解拓撲物態的性質以及推動拓撲材料的應用具有重要意義。

拓撲絕緣體是一種特殊的物質狀態，其內部是絕緣的，但表面或邊緣卻具有導電性，并且這種表面或邊緣態不會受到非磁雜質的背散射，可實現理想的無耗散導電通道，在低能耗電子器件、自旋電子學和量子計算等領域有著巨大的應用前景。然而，要深入了解拓撲絕緣體的性質并推動其應用，就需要發現性能優良的拓撲材料，并對拓撲態進行精確的測量和控制。雖然之前人們已經對大量的二維表面態的輸運響應進行了研究，但一維拓撲棱態的量子輸運響應尚未得到證實。姚裕貴團隊及其合作者十多年來一直致力于尋找和研究具有優良性能（比如大能隙、Dirac點位于費米能級附近等）的拓撲絕緣體材料體系，如2014年他們預言了一種可行的大能隙拓撲絕緣體材料，即Bi₄Br₄和Bi₄I₄體系。Bi₄Br₄單晶是具有層狀結構的半導體，層間耦合是弱的范德瓦爾斯作用，理論計算發現其單層結構是量子自旋霍爾絕緣體且體能隙遠高于室溫條件[Nano Lett. 14, 4767 (2014)]。研究還發現Bi₄Br₄是探測室溫量子自旋霍爾絕緣態的絕佳材料體系，一方面單層Bi₄Br₄是由無限長的一維鏈并排組成，鏈間的耦合相比鏈內耦合很弱，這種準一維結構特性有利于形成原子級平整的邊緣，另一方面，由于極弱的層間耦合，量子自旋霍爾絕緣態可以穩定地存在于單晶Bi₄Br₄表面的臺階邊緣上[NJP 17, 015004 (2015)]。

此后，依托學校量子物理實驗中心平臺，姚裕貴團隊對Bi₄Br₄和Bi₄I₄體系展開了全鏈條式的理論與實驗研究：理論上發現單晶β-Bi₄Br₄和β-Bi₄I₄是弱拓撲絕緣體[PRL 116, 066801 (2016)]，并被發表在Nature上的實驗工作證實；團隊迅速制備了高質量的Bi₄Br₄單晶，并獲得了生長專利的授權；利用高壓技術，在壓力調控下同時觀測到超導現象和拓撲性質，表明該體系有可能是拓撲超導體[PNAS 116, 17696 (2019]；結合光學技術，發現邊緣存在較強的紅外吸收，且拓撲邊緣態上激發載流子壽命遠長于體態，表明該材料有應用于紅外光學和光電探測的潛力[Sci. Bull. 68, 417 (2023)]; 把Bi₄Br₄作為飽和吸收體應用到光纖激光器中，得到了穩定的紅外脈沖激光輸出[APL 120, 053108 (2022)]；與合作者共同發現了室溫量子自旋霍爾邊緣態的實驗證據[Nature Materials 21, 1111 (2022)]. 更多相關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)]。

近期物理學院姚裕貴教授、周金健教授、韓俊峰教授等人與清華大學楊樂仙團隊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的表面電子結構，并首次在（100）表面上觀察到具有劈裂特征的表面態和表面態能隙。研究還發現表面態的自旋動量鎖定特征，以及表面態的能隙內存在額外的無能隙電子態，表明體系內存在一維拓撲棱態。實驗結果與第一性原理計算高度吻合，為α-Bi₄Br₄的高階拓撲絕緣相提供了令人信服的證據。研究成果發表于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團隊等合作，利用量子輸運測量手段，通過對4層和6層α-Bi₄Br₄的磁阻測量，觀察到振蕩周期性為h/e（其中h為普朗克常數，e為電子電荷）的Aharonov-Bohm振蕩現象，其中當磁場與a軸夾角為17°時取得極值，表明Aharonov-Bohm振蕩是由樣品bc面上棱態的相干載流子產生，是電子圍繞拓撲棱態運動時產生的量子干涉的結果，這為拓撲棱態的存在及其載流子的量子輸運行為提供了直接證據。圖1和圖2分別是4層和6層α-Bi₄Br₄中觀測到的角度依賴的Aharonov–Bohm振蕩。相關結果發表在最近的Nature Physics (2024)。

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

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

圖2. 在6層α-Bi₄Br₄中觀測到的Aharonov–Bohm振蕩。

總之，團隊成員和合作者通過不同研究手段對α-Bi₄Br₄拓撲絕緣體開展了深入研究，從量子輸運測量上觀察到Aharonov-Bohm振蕩現象，首次從量子輸運測量上探測到了與拓撲棱態相對應的量子現象；通過ARPES測量觀察到一維拓撲棱態的存在。這些發現不僅豐富了我們對拓撲電子學的理解，也為未來拓撲電子器件的研發提供了新的方向。

上述工作得到了國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目、北京自然科學基金等項目的支持。