物理学院在$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$的拓扑边缘态研究方面取得进

2021年11月10日

拓扑绝缘体$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$边缘态的观测。二维拓扑绝缘体，也称量子自旋霍尔效应绝缘体，其典型特质是在体带隙内存在无能隙的螺旋形边缘态并且边缘态受时间反演对称性的保护而不会被杂质背散射。沿着体系边缘的一维导电边缘态可以作为不被散射的自旋电流通道在未来的电子学和自旋电子学方面有广阔的应用前景，寻找新的可实现高温量子自旋霍尔效应的大带隙拓扑绝缘体依然是目前研究工作的挑战。理论预测单层$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$是具有$180 \mathrm{meV}$直接带隙的二维拓扑绝缘体。尽管目前已有报道研究认为体相的$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$是一种高阶拓扑绝缘体，具有一维无带隙的棱态。这个结论很快被Noguchi和合作者用ARPES证明。但到目前为止，还没有一种技术手段实现了对$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$拓扑边缘态的观测。

最近，北京理工大学物理学院肖文德研究员、姚裕贵教授等人合作，利用分子束外延技术在$\mathrm{TiSe}_2$表面制备了以($102$)面为顶面的$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$纳米线，并且利用低温扫描隧道显微镜研究了台阶边缘处的电子结构。在$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$的($001$)面的单台阶处观测到一维拓扑边缘态，证实了单层$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$是一种二维拓扑绝缘体。同时，实验证实了在($102$)面上的表面态是由($001$)面的边缘态耦合而成。这一工作首次实验揭示了$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$受拓扑保护的边缘态，为进一步探索拓扑物理和制作器件提供了一个很好的材料平台。相关工作发表在J. Phys. Chem. Lett. 12, 10465 (2021)。

该工作得到科技部国家重点研发计划（2020YFA0308800）、国家自然科学基金委（11734003 和21773008）和北京市自然科学基金（Z190006）等项目的支持。

图1 在$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$纳米带的单层台阶中观测到一维拓扑边缘态。