日本两所高校合作，首次从实验上证明了β-Bi4I4中存在弱拓扑绝缘态

来源：高分子科学前沿

【第四种电子材料，拓扑绝缘体】

自旋电子学 (Spintronics，又称磁电子学)。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩。是一门新兴的学科和技术，也是目前最有希望取代当前许多电子系统的一套物理系统。应用于自旋电子学的材料，需要具有较高的电子极化率，以及较长的电子自旋弛豫时间。

除了金属、半导体和绝缘体材料之外，还有一种新型的电子材料，被称之为拓扑绝缘体。这是一种内部绝缘，而界面允许电荷移动的材料。在拓扑绝缘体的内部，电子能带结构和常规的绝缘体相似，其费米能级位于导带和价带之间。在拓扑绝缘体的表面存在一些特殊的量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。这些量子态可以用类似拓扑学中的亏格的整数表征，是拓扑序的一个特例。

对于这种拓扑材料而言，它传导的并不是电子本身的流动，而是电子的一种特性，即自旋或是角动量，而这种自旋电流，则是通向超高速、超低功耗电子设备的大门。当然，并非所有的拓扑绝缘体都是等同的。目前存在着两种拓扑绝缘体，即强拓扑（strong topological insulator, STI）与弱拓扑绝缘体（weak topological insulator, WTI），然而都有一些缺点。当自旋沿着材料表面传导时，不可避免的会发生电子散射，削弱材料传导自旋电流的能力。自2017年以来，理论上已经预测到了第三种拓扑绝缘体——高阶拓扑绝缘体（higher-order topological insulator, HOTI），然而尚未实验发现。

【两个首次实验证明，都发了顶刊】

低维范德华材料作为产生量子效应的平台已经得到了广泛的研究。进一步的，具有范德华结构的拓扑量子材料也受到了广泛的关注。去年年初，日本东京大学的Takeshi Kondo与东京工业大学的Takao Sasagawa等人合作，首次从实验上证明了β-Bi4I4中存在弱拓扑绝缘态，并以 “A weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide”为题发表在Nature上。

近日，这两个课题组再次合作，利用量子自旋霍尔绝缘体的范德华堆积来设计拓扑材料。实验中发现，由叠加改变引起的单元内反转中心的轻微偏移，导致了材料从普通绝缘体到高阶拓扑绝缘体的转变。角度分辨光电发射光谱（angle-resolved photoemission spectroscopy）结果表明，三维材料Bi4Br4是一个高阶拓扑绝缘体。该研究验证了通过不同的堆叠链来选择不同的拓扑态的可行性，并结合范德瓦尔斯材料的优点，为未来自旋电子学的应用提供了一个工程拓扑非平凡边缘态的平台，并以题为“Evidence for a higher-order topological insulator in a three-dimensional material built from van der Waals stacking of bismuth-halide chains”的论文发表在最新一期的《Nature Materials》上。

【实验证明，仅需倒着放】

为了构建这种三维晶体，Takeshi Kondo和他的团队通过改变方单原子层厚的二维晶体薄片的堆叠方式，实现了从普通绝缘体到高阶拓扑绝缘体的转变。对于强拓扑绝缘体或是弱拓扑绝缘体，堆叠中的晶体切片的朝向都是相同的，就像刚拆开的纸牌一样同面向下。但为了创造高阶拓扑绝缘体，薄片的方向是交替的，类似于牌堆中正面（背面）相对的纸牌一样。正是这种细微的排列变化（AB堆叠），使得合成的三维晶体转变成了高阶拓扑绝缘体。

交错堆叠的单层Bi4Br4薄片

三维Bi4Br4表面的一维链（1D chain）形貌

论文的通讯作者Takeshi Kondo表示，这种高阶拓扑绝缘体的能力更加强大，它能够仅仅沿着其拐角边缘（本质上是一维的线）传导自旋电流，不同于其他拓扑绝缘体在二维平面传导自旋电流时会受到电子散射的影响，因此更加稳定。这种简单的通过堆叠方式来改变拓扑特性的方法将大大推动高速低功耗自旋电子器件的发展。