科学家在单层材料中发现的双拓扑绝缘态

波士顿学院的科学家们发现了一种被称为“双量子自旋霍尔绝缘体”的材料，它为研究奇异量子相和电磁学提供了一个有希望的基础。

由波士顿学院物理学家领导的一个国际科学家团队报告说，他们在一个固有的单层晶体中发现了双重拓扑相，这一发现揭示了量子材料中新的、独特的规则弯曲特性。这项发现最近发表在《自然》杂志上。

该团队报告称，双拓扑绝缘体的发现引入了一种通过电子相互作用创建拓扑扁平微带的新方法，这为探索奇异量子相和电磁学提供了一个有前途的平台。

“我们已经通过实验生产出高质量、原子级薄的TaIrTe4样品，并开发了相应的电子设备，”波士顿学院物理学助理教授、该报告的主要作者马琼（音译）说。“特别有趣的是，我们发现的不仅仅是一种，而是两种拓扑绝缘状态，超出了理论的预测。”

马琼说，这些发现引入了一种新的效应，该团队称之为“双拓扑绝缘体”或“双量子自旋霍尔绝缘体”。

方法论和独特的发现

来自不列颠哥伦比亚省、麻省理工学院、哈佛大学、加州大学洛杉矶分校、得克萨斯农工大学、田纳西大学、新加坡南洋理工大学、中国科学院和日本国家材料科学研究所的科学家团队，重点研究了一种名为TaIrTe4的晶体材料的异常薄的二维层。

每一层的厚度都不到1纳米，比一根头发还薄10万倍。这些层或“薄片”是用一种简单的方法从一个较大的晶体上小心地剥离下来的，其中包括透明胶带，这是一种在材料科学中广泛使用的诺贝尔奖获奖技术。

“我们的调查旨在了解这些材料是如何导电的，”马琼说。“考虑到这些材料的微小尺寸，我们采用了先进的纳米制造技术，包括光刻和电子束光刻，来建立纳米级的电接触。”

马琼说，该项目的主要目标是测试理论预测，即最薄的TaIrTe4层作为二维拓扑绝缘体（也称为量子自旋霍尔绝缘体）一种新颖的材料，其内部是绝缘的，电流沿着其边界流动而没有任何能量损失。这种独特的组合使这些材料成为研究人员试图开发下一代节能电子设备的焦点。

研究人员表示，通过操纵特定的参数 —— 被称为栅极电压 —— 研究小组发现TaIrTe4在两种不同的拓扑状态之间发生了转变。在这两种情况下，材料在其内部表现为零导电性，而其边界保持导电。通过系统的实验和理论研究，我们已经确定这两种拓扑状态源于不同的起源。

理论意义与未来方向

这一发现超出了理论预测，令科学家们感到惊讶。

“通常情况下，在材料中添加电子会增加其导电性，因为电荷或载流子的数量更多，”马琼说。“最初，我们的系统表现得像预期的那样，随着电子的加入，它变得更导电。然而，超过某一点后，增加更多的电子意外地使内部再次绝缘，仅在边界处导电，没有能量损失，这恰恰又是一个拓扑绝缘阶段，就像内部没有电子的起点一样。这种向第二个拓扑绝缘阶段的过渡是完全出乎意料的。”

马琼说，未来的工作包括与其他专业技术的团队合作，如纳米级成像探针，以进一步了解意想不到的行为。

“我们还将专注于改进材料的质量，以改善已经令人印象深刻的无耗散拓扑传导，”马琼说。“此外，我们计划基于这种新材料构建异质结构，以揭示更有趣的物理行为。”

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