眾所周知，二維拓撲絕緣體的體內(nèi)是絕緣的，而其邊界是無能隙的金屬導電態(tài)。且這種金屬態(tài)中存在自旋－動量的鎖定關(guān)系，相反自旋的電子向相反的方向運動，由于受到時間反演不變性的保護，它們之間的散射是禁止的，因此是自旋輸運的理想“雙向車道”高速公路，可用于新型低能耗高性能自旋電子器件。當前實驗已經(jīng)確定具有量子自旋霍爾效應的二維拓撲絕緣體有HgTe/CdTe和InAs/GaSb量子阱。但它們的樣品制備需要精準的調(diào)控，不利于規(guī)�；a(chǎn)；體能隙小，在極低溫下才能顯示出量子自旋霍爾效應。這些都阻礙了二維拓撲絕緣體的實際應用。一個好的二維拓撲絕緣體必須：1）具有層狀結(jié)構(gòu)，易于得到化學穩(wěn)定的二維系統(tǒng)；2）體能隙大，在室溫下就能應用于日常電子器件。尋找理想的大能隙二維拓撲絕緣體近年來一直是該研究領(lǐng)域的重要研究方向。
人們已經(jīng)理論預言了多種大能隙二維拓撲絕緣體，如雙層Bi（111），并通過掃描隧道顯微鏡在雙層Bi（111）膜的邊界觀測到一維拓撲邊界態(tài)，但在遠離邊界的地方?jīng)]有觀測到態(tài)密度為零的能隙，說明目前制備的雙層Bi（111）膜的體態(tài)不是絕緣的，阻礙了量子自旋霍爾效應的測量和實際應用。除了薄膜之外，在二維拓撲絕緣體堆積的單晶表面臺階處也可以獲得一維拓撲邊界態(tài)。原則上，具有臺階的表面可以看成將二維單層膜放在襯底之上，這時單層膜和襯底有相同的化學組分。拓撲邊界態(tài)在Bi和Bi14Rh3I9單晶表面臺階處也已經(jīng)觀測到，但在遠離臺階的地方，能隙中仍有非零的態(tài)密度。在表面臺階處實現(xiàn)拓撲邊界態(tài)需要滿足一些必要條件：1）單層是二維拓撲絕緣體；2）較弱的層間耦合，否則會失去原有的拓撲邊界態(tài)的性質(zhì)；3）堆積成的單晶必須是弱拓撲絕緣體，否則對于強拓撲絕緣體，臺階處拓撲邊界態(tài)和強拓撲絕緣體拓撲表面態(tài)雜化，也會失去原有的拓撲邊界態(tài)性質(zhì)。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）的理論計算、材料制備和譜學測量的研究團隊緊密合作，證實了ZrTe5單晶滿足以上三個必要條件，提供了表面臺階處具有拓撲邊界態(tài)的證據(jù)。2014年，副研究員翁紅明、研究員戴希、研究員方忠預言單層ZrTe5和HfTe5是大能隙的二維拓撲絕緣體，組成的塊材單晶在強拓撲和弱拓撲絕緣體的拓撲量子臨界點附近【PRX 4, 011002 (2014)】。陳根富研究組的博士生趙凌霄生長出高質(zhì)量ZrTe5單晶樣品。潘庶亨研究組的博士生武睿以及丁洪研究組的博士生馬均章和副研究員錢天分別利用掃描隧道顯微鏡（STM）和角分辨光電子能譜（ARPES）對ZrTe5單晶解理表面電子態(tài)進行測量。他們通過角分辨光電子能譜測量，發(fā)現(xiàn)ZrTe5垂直表面的電子結(jié)構(gòu)只有很弱的色散（圖2e），表明其層間耦合很弱。角分辨光電子能譜觀測到價帶和能帶在布里淵區(qū)Gamma點費米能級處形成一個100meV的能隙，并且在能隙中沒有表面態(tài)（圖3）。低溫掃描隧道顯微譜（STS）測量確定了在ZrTe5單晶表面遠離臺階處，能隙中態(tài)密度為零（圖1c）。這些實驗不僅確定了ZrTe5是弱拓撲絕緣體，而且揭示了絕緣的體態(tài)，這對于進一步的量子自旋霍爾效應的觀測和實際應用非常重要。掃描隧道顯微譜進一步觀測到在臺階處的能隙內(nèi)有幾乎為常數(shù)的有限態(tài)密度（圖4a,c）。方忠、戴希研究組的博士生聶思敏和副研究員翁紅明進行了第一性原理計算，計算結(jié)果與實驗結(jié)果非常吻合，并證實了表面臺階處邊界態(tài)的拓撲非平庸性質(zhì)（圖4b,d）。
這個工作是首次觀測到具有大能隙的絕緣體態(tài)，即能隙中態(tài)密度為零，材料的邊界觀測到一維拓撲邊界態(tài)，有利于高溫下量子自旋霍爾效應的觀測和實際應用。這一研究成果發(fā)表在Physical Review X 6, 021017 (2016)上。
該工作得到科技部“973”項目（2015CB921300、2013CB921700、2011CBA00108）、國家自然科學基金委（11227903、11474340、11422428、11274362、11234014）和中國科學院先導B項目（XDB07000000）的支持。
圖1：ZrTe5晶體結(jié)構(gòu)和STM表面形貌圖。STM在表面遠離臺階處觀測到100meV的能隙，能隙中的態(tài)密度為零（圖1c插圖）。
圖2：ZrTe5單晶電子結(jié)構(gòu)的ARPES測量結(jié)果，與能帶計算吻合。圖2e中垂直表面的輕微能帶色散標志ZrTe5單晶非常弱的層間耦合。
圖3：輕微電子摻雜的ZrTe5單晶電子結(jié)構(gòu)的ARPES測量結(jié)果，證實了費米能級處100meV的能隙，并且能隙中沒有表面態(tài)，確定了ZrTe5單晶是弱拓撲絕緣體。
圖4：STS測量揭示表面臺階處能隙中幾乎常數(shù)的有限態(tài)密度，表明臺階處存在邊界態(tài)。計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合，并且證實了邊界態(tài)的拓撲性質(zhì)。
