尺寸效应诱导的Z2=0新型拓扑绝缘体

最近，北京大学量子材料科学中心的谢心澄、冯济、孙庆丰教授，博士后刘海文与该中心访问学者苏州大学江华教授合作在Z2=0体系中的拓扑表面态研究方面取得重要进展，研究成果在线发表于5月2号的《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 112, 176601 (2014).]

时间反演对称性保护的拓扑绝缘体是近年来研究的热点，其拓扑性质可以用Z2拓扑数来表征。科学家普遍认为在Z2=1的拓扑绝缘体中存在稳定的、不受材料具体细节和外部微扰所影响的螺旋表面态（或边缘态）。这类稳定的螺旋表面态能导致一系列新奇的物理特性，使得拓扑绝缘体领域的相关研究在基础物理原理探究和低能耗信息器件应用方面都具有重要地位。然而，自然界中的多数保持时间反演对称的材料体系往往具有Z2=0拓扑序，而具有Z2=1拓扑序的体系是非常稀缺的。一个自然的问题是：为了获得拓扑的螺旋表面态（或边缘态），Z2=1 的拓扑绝缘体体系是否是必须的？

在最新的研究文章中，作者系统性地研究了这个问题。首先，他们从理论上找到了一类具有Z2=0拓扑序的二维和三维模型体系，在有限尺寸效应下，该体系拥有拓扑的螺旋表面态（或边缘态）。通过数值模拟，他们发现该Z2=0体系表现出与Z2=1拓扑绝缘体体系几乎完全相同的输运特征。此外，他们还发现这类Z2=0体系拥有某些超越Z2=1拓扑绝缘体的优异性能。例如：存在拓扑的螺旋表面态的能量窗口在大范围内可以连续调控；基于这一拓扑的螺旋表面态可以实现全电调控的量子‘谷’阀门和‘谷’过滤器（见图1）。最后，作者讨论了在实际材料体系中观测到理论所预言的拓扑表面态的可能性。最新的相关实验结果已经显示出这种全新的拓扑表面态存在的迹象。

这项研究工作得到国家自然科学基金和国家重点基础研究发展规划(973计划)相关项目的资助。