尺寸效應誘導的Z2=0新型拓撲絕緣體

最近，beat365量子材料科學中心的謝心澄、馮濟、孫慶豐教授，博士後劉海文與該中心訪問學者蘇州大學江華教授合作在Z2=0體系中的拓撲表面态研究方面取得重要進展，研究成果在線發表于5月2号的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 112, 176601 (2014).]

時間反演對稱性保護的拓撲絕緣體是近年來研究的熱點，其拓撲性質可以用Z2拓撲數來表征。科學家普遍認為在Z2=1的拓撲絕緣體中存在穩定的、不受材料具體細節和外部微擾所影響的螺旋表面态（或邊緣态）。這類穩定的螺旋表面态能導緻一系列新奇的物理特性，使得拓撲絕緣體領域的相關研究在基礎物理原理探究和低能耗信息器件應用方面都具有重要地位。然而，自然界中的多數保持時間反演對稱的材料體系往往具有Z2=0拓撲序，而具有Z2=1拓撲序的體系是非常稀缺的。一個自然的問題是：為了獲得拓撲的螺旋表面态（或邊緣态），Z2=1 的拓撲絕緣體體系是否是必須的？

在最新的研究文章中，作者系統性地研究了這個問題。首先，他們從理論上找到了一類具有Z2=0拓撲序的二維和三維模型體系，在有限尺寸效應下，該體系擁有拓撲的螺旋表面态（或邊緣态）。通過數值模拟，他們發現該Z2=0體系表現出與Z2=1拓撲絕緣體體系幾乎完全相同的輸運特征。此外，他們還發現這類Z2=0體系擁有某些超越Z2=1拓撲絕緣體的優異性能。例如：存在拓撲的螺旋表面态的能量窗口在大範圍内可以連續調控；基于這一拓撲的螺旋表面态可以實現全電調控的量子‘谷’閥門和‘谷’過濾器（見圖1）。最後，作者讨論了在實際材料體系中觀測到理論所預言的拓撲表面态的可能性。最新的相關實驗結果已經顯示出這種全新的拓撲表面态存在的迹象。

這項研究工作得到國家自然科學基金和國家重點基礎研究發展規劃(973計劃)相關項目的資助。