拓撲晶體絕緣體是一種不同于拓撲絕緣體的量子物态。它擁有偶數個受晶格對稱性而非時間反演對稱性保護的Dirac型表面态。相比拓撲絕緣體，拓撲晶體絕緣體中有望發現更多的新奇量子現象，如可用電場調控的能隙和高陳數的量子反常霍爾效應等等。理論預言SnTe是一種拓撲晶體絕緣體材料，而與它具有相同結構的PbTe卻是拓撲平庸的，因此Pb1-xSnxTe會在某個臨界點x處發生拓撲相變。由于拓撲晶體絕緣體的拓撲性質受晶格對稱性保護，所以不同晶面取向會導緻不同的拓撲表面态。如對于SnTe(001)表面，Dirac錐位于時間反演不變點X附近且關于X點左右對稱；而在SnTe(111)表面，所有Dirac錐都位于時間反演不變點Γ和M上，所以(111)表面的拓撲态同時受晶格對稱性和時間反演對稱性雙重保護。到目前為止，實驗都隻研究了SnTe自然解離(001)表面的拓撲性質，而沒有關于極性(111)表面的報道。
最近，量子物質科學協同創新中心、清華大學物理系的陳曦/薛其坤研究組與段文晖研究組、中科院金屬所張志東研究員及美國麻省理工學院傅亮教授合作，結合角分辨光電子能譜、掃描隧道顯微鏡和第一原理計算，詳細研究了Pb1-xSnxTe(111)的拓撲性質與Pb摻雜量(1-x)的關系（如圖所示）。他們利用分子束外延技術首次成功制備出高質量Pb1-xSnxTe(111)單晶薄膜。角分辨光電子譜測量發現随着Pb摻雜量的變化Pb1-xSnxTe(111)薄膜從拓撲晶體絕緣體轉變為一個平庸的絕緣體，發生了拓撲相變。通過與緊束縛模型計算比較，他們發現由于表面極化等原因造成的能帶彎曲會在平庸的表面态上産生比較強的Rashba劈裂，并且導緻 點和 點處Dirac點能量的位移。他們還發現當樣品厚度減小到二維極限時Dirac點處打開能隙。Pb1-xSnxTe(111)薄膜為尋找新的拓撲現象和探索高性能拓撲器件提供了新的平台。
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| 上圖：角分辨光電子能譜。下圖：緊束縛模型計算結果，和上圖的實驗結果完全吻合。 |
該成果以"Experimental Observation of Dirac-like Surface States and Topological Phase Transition in Pb1−xSnxTe(111) Films”為題發表在2014年5月9日的Physical Review Letters上［Phys. Rev. Lett. 112, 186801 (2014)］。顔晨晖和劉軍偉兩名研究生是文章共同第一作者。該研究工作得到了國家自然科學基金和科技部“973”項目的資助。
