能在室溫下工作，碘化鉍中的弱拓撲絕緣體！

拓撲絕緣體是21世紀最令人興奮的發現之一，它們可以簡單地描述為在表面或邊緣導電的材料，但在內部是絕緣的。它們的導電性能是基於自旋(量子力學特性)，這抑制了電子對材料或其他電子中雜質的正常散射，以及由此產生的熱量損失。與超導體不同，拓撲絕緣體可以在室溫下工作，這為我們當前的電子產品提供了被量子計算機和「自旋電子」設備取代的可能性，這些設備將更小、更快、更強大、更節能。拓撲絕緣子分為強絕緣子和弱絕緣子兩類，強拓撲絕緣子(STI)的實驗驗證迅速跟隨理論預測。

然而弱拓撲絕緣體(WTI)較難通過實驗驗證，因為拓撲狀態出現在特定的側表面，這在真實的三維晶體中通常無法檢測到。表在《自然》(Nature)上的一項研究中，來自日本的一組研究人員利用同步加速器技術，為碘化鉍晶體中的WTI狀態提供了實驗證據。

准一維(一維)碘化鉍晶體α-Bi4I4和β-Bi4I4結構非常相似，不同的只是在他們沿著c-axis堆積序列。這種結構上的微小差異導致了兩相電阻率在絕對值和溫度依賴性上的顯著差異。

在室溫下一階轉換髮生兩個晶體之間的階段，與電阻α-phase形成樣本時優先慢慢冷卻。研究小組用激光angle-resolved光電發射光譜(arp)測量能量和動量高解析度α-Bi4I4和β-Bi4I4的電子結構。在這些實驗中，觀察到來自(001)和(100)平面的ARPES信號的疊加，因為激光斑比暴露在劈裂表面上的每個平台和小面要大得多。在β-Bi4I4觀察到Dirac-cone-like能量分散在費米能級附近，EF-anomalous瑣碎α-Bi4I4狀態沒有探測到，並應該由於拓撲表面。在較高的光子能量下，ARPES證實了類似的准一維狀態。

示意圖為nARPES幾何拓撲側表面(β-Bi4I4的(100)面)。b)(100)平面費米能量處的ARPES強度圖。c) arp帶地圖在Γ??點和Z軸(100)的飛機。d)拓撲暗表面(001)nARPES的示意圖幾何。e) arp帶地圖在Γ?(001)。圖片：Diamond Light Source

對於所觀察到的准一維狄拉克態，唯一可能解釋是它來自WTI的拓撲側曲面(100)。為了專門檢測WTI表面，轉向了表面選擇性的ARPES技術。納米ARPES (nARPES)是同步加速器技術的一個令人興奮的發展，它結合了顯微鏡的高空間解析度和ARPES技術的能量和動量解析度。beamline I05的nARPES分支具有一個端站，該端站可以從非常小的點尺寸提供空間解析度的ARPES。使用光子束聚焦的規模小於1μm，團隊能夠觀察的(100)面沒有任何污染。

WTI態

研究人員在角分辨測量之前，使用nARPES獲得了一個微小劈理表面的微觀強度圖然後在側表面（（100）平面）觀察到准一維狄拉克拓撲表面狀態，而頂表面（（001）平面）在拓撲上是暗的，沒有拓撲表面狀態，結果顯示了在β-Bi4I4中實現的WTI狀態，並且表明從β相到α相的晶體轉變驅動了在室溫下從非平凡WTI到正常絕緣體的拓撲相變。

確定WTI態可能具有幾種不同的科學和技術含義，由於它被認為是量子自旋霍爾(QSH)絕緣體的三維模擬體，能夠在三維晶體寬側面上產生高方向性的自旋電流，這一發現將促進對奇異量子現象的進一步深入研究。在碘化鉍中，可以通過選擇拓撲或非拓撲晶體相來控制自旋電流的產生。因此，這項研究是向QSH絕緣子三維類似物的基礎和技術研究邁出的一步，並可能最終導致新的電子和自旋電子技術。

博科園｜研究/來自: Diamond Light Source

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-0927-7

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