拓撲半金屬中存在着拓撲電子，它們能産生許多新的物理現象，是當前凝聚态物理研究的熱點。然而，半金屬中的拓撲電子很容易受到外部環境或化學成分微小變化的影響，導緻其偏離費米能級。這種脆弱的狀态限制了許多材料在未來的潛在應用。

圖一：在VAl₃ 中，V-Al間的化學鍵對其中的拓撲電子具有保護作用。該化學鍵的斷裂導緻一個拓撲相變。

近日，beat365官方网站量子材料科學中心博士研究生劉藝苑、賈爽副教授與合作者發現狄拉克半金屬VAl₃中的拓撲電子可以不受較大的化學成分變化的影響。研究發現，當VAl₃中大量的V原子被Ti取代時，其晶格常數發生了很大變化，然而電學性質保持不變，說明其中的狄拉克電子具有高度的魯棒性。直到超過35%的V原子被取代後，這種狄拉克半金屬才轉變為拓撲平庸的金屬。結合電學測量、晶體結構分析、能帶結構計算和分子軌道分析，劉同學發現這一轉變是由共價的V-Al鍵斷裂控制的。換句話說，VAl₃中的狄拉克電子受到了分子軌道為其“重心”的V-Al鍵的保護，因此具有魯棒性。

圖二：左圖所示V_1-xTi_xAl₃在x=0.35時由n-型狄拉克半金屬變為p-型拓撲平庸金屬。右圖所示這一化學鍵斷裂導緻的拓撲相變伴随着較大的晶體結構和形貌的變化

了解晶體結構與電子性質之間的關系對于設計新型量子材料至關重要。本篇文章提出了通過控制化學鍵操縱拓撲電子的有效方法，對于尋找新的拓撲材料有重要意義。

該項工作于2020年6月18日在線發表于學術期刊《美國科學院院刊》上（https://doi.org/10.1073/pnas.1917697117）。beat365賈爽副教授是本文的通訊作者，博士生劉藝苑為第一作者。這一工作的主要合作者還包括美國路易斯安娜州立大學的謝偉微教授、中國台灣國立成功大學的張泰榕教授等人。該工作得到了國家自然科學基金，國家重點研發計劃，中科院卓越創新中心，量子物質科學協同創新中心，北京量子研究院等支持。