应力“强化”的“弱”拓扑绝缘体态：首次直接观测到锆碲化合物中的弱拓扑态

根据材料的导电性质的“好坏”，可以将其分成“金属”和“绝缘体”，以及介于二者之间的“半导体”。其中，半导体中的电流可以通过电子器件进行调控，因此它已经成为现代信息技术的基石。大约15年前，物理学家在理论上提出了一种导电性质与前面三种都不同的材料，即“拓扑绝缘体”。这种材料的表面像金属一样导电，但是其内部却是不导电的绝缘体。同时，拓扑绝缘体表面上的电流也不同于金属中的电流，其电子有确定的自旋方向，形成自旋电子流。通过利用和控制这种自旋电流，有希望制造出新型的自旋电子器件。

在三维块状的材料中，物理学家进一步发现有两种可能的拓扑态，即“强拓扑绝缘体”和“弱拓扑绝缘体”。“强”和“弱”只是物理理论上的一种区分，并不代表实际应用中电流的强和弱。实际上，“强”拓扑绝缘体材料会在表面上产生各个方向的自旋电子流，导致其中一部分发生散射，造成能量的损耗。而另一方面，“弱”拓扑绝缘体的自旋电流被限制在材料的侧表面并沿一个方向传播，电流和自旋的方向锁定保证了其不会被非磁性的杂质散射，因而不会出现能量的损耗，非常适合应用于自旋电子器件。

到目前为止，实验上发现很多材料都有“强”拓扑绝缘态，但是关于“弱”拓扑绝缘体的研究还很少，理论预测的材料也只有少数的几种。其中，锆碲化合物ZrTe₅是最早提出的“弱”拓扑绝缘体的候选材料之一，然而其“弱”拓扑绝缘体的性质一直没有得到实验确认。这是由于弱拓扑态的直接证据来源于材料的侧表面，但是在ZrTe₅中只能制备干净平整的上下表面，侧表面上只能获得凹凸不平的粗糙表面，这样的表面难以进行常规的实验分析。因此，ZrTe₅虽然很早就被提出是弱拓扑绝缘体的候选材料，但是一直没有实验直接观测到该样品侧表面的弱拓扑绝缘态。

图1. ZrTe₅材料侧表面和上表面的电子结构，其中自旋电子流存在于材料的侧表面。左侧：ZrTe₅材料侧表面的测量。可以看到侧表面在小尺度上（50微米范围）是平整的。侧表面电子的运动具有高度的方向性，同时自旋和电子的运动方向是锁定的。右侧：通过对材料施加应力，我们观测到了材料的弱拓扑态在拉伸应力下变得更稳定，在压缩应力下发生了拓扑相变。

在这项研究中，日本东京大学的研究人员同时使用了具有空间纳米分辨能力的光电子能谱，以及具有自旋分辨能力的光电子能谱，观测了ZrTe₅的上表面和侧表面。利用纳米级空间分辨能力的光电子能谱，研究人员发现在微米尺度上可以在侧表面找到平整的区域，并在此区域观测到了“弱”拓扑态，这是对ZrTe₅材料侧表面的第一次直接观测。研究人员还进一步对样品施加了应力，发现只需对ZrTe₅材料施加一定的拉伸应力，就可以增加样品的能隙，实现更理想和更稳定的“弱”拓扑绝缘体态；而对样品施加压缩应力，则可以导致材料向狄拉克半金属态以及强拓扑绝缘体态的转变。

这项研究的结果证明了ZrTe₅材料的“弱”拓扑绝缘体性质，是拓扑材料科学的一项重要进展， 也为实现理想的自旋电子器件提供了新的候选材料。同时，这项研究也表明，有可能通过压电元件以很小的形变来控制材料的拓扑态，为自旋电子器件的调控提供了新的方向。可以预期，关于“弱”拓扑绝缘体的研究将会越来越活跃，ZrTe₅这种材料也有希望应用于下一代的自旋电子器件。

这一成果发表在Nature Communications上，文章的通讯作者是东京大学的张鹏特任研究员和近藤猛教授。

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Observation and control of the weak topological insulator state in ZrTe₅

Peng Zhang, Ryo Noguchi, Kenta Kuroda, Chun Lin, Kaishu Kawaguchi, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Mikk Lippmaa, Simin Nie, Hongming Weng, V. Kandyba, A. Giampietri, A. Barinov, Qiang Li, G. D. Gu, Shik Shin, Takeshi Kondo

Nat. Commun., 2021, 12, 406, DOI: 10.1038/s41467-020-20564-8

张鹏博士简介

张鹏，2020年由南京大学“登峰B”计划支持引进回国任职，于2021年正式加盟南京大学物理学院，任教授。2009年本科毕业于南京大学，在中科院物理所获得博士学位。2011年-2012年在劳伦斯伯克利国家实验室交流访问。2016年开始在东京大学从事博士后研究。以第一作者或通讯作者身份在Science, Nature Physics, Nature Communications, Physical Review X, Physical Review Letters 等国际学术期刊上发表多篇论文，首次发现了高温铁基超导体中的拓扑超导态，开启了铁基超导体中拓扑超导和马约拉纳准粒子的研究 。