材料東京大學東京工業(yè)大學：弱拓撲絕緣態(tài)實驗中首次被驗證

1、第 PAGE6 頁 共 NUMPAGES6 頁材料東京大學東京工業(yè)大學：弱拓撲絕緣態(tài)實驗中首次被驗證東京大學東京工業(yè)大學 Nature：弱拓撲絕緣態(tài)在實驗中首次被驗證【引言】過去十年中，拓撲材料的重大突破，都是由 Z 2 型拓撲絕緣體引發(fā)的。Z 2 型拓撲絕緣體是一種內(nèi)部絕緣但允許電子在其表面流動的材料。在三維空間中，拓撲絕緣體分為強弱兩種，強拓撲絕緣體很快被實驗所證實。相比之下，弱拓撲絕緣體（WTI）到目前為止還沒有得到實驗驗證，因為拓撲表面狀態(tài)只出現(xiàn)在特定的側(cè)端面上，通常在真實的三維晶體中是無法檢測到的?！境晒喗椤拷?，東京大學 Takeshi Kondo 和東京工業(yè)大學 T.Sasag

2、awa團隊（共同通訊作者）合作，從實驗上證明了碘化鉍（beta;-Bi 4 I 4 ）中 WTI 態(tài)的存在。值得注意的是，這種晶體通過范德華力堆疊，具有明顯的自然劈裂的上端面和側(cè)端面，這對實驗上實現(xiàn) WTI 態(tài)十分有利。作為 WTI 態(tài)的一個確定標志，在側(cè)端面（100）發(fā)現(xiàn)準一維狄拉克拓撲表面態(tài)，而在上端面（001）面沒有發(fā)現(xiàn)拓撲表面態(tài)。此外，進一步發(fā)現(xiàn)在接近室溫下，從 beta; 相到 alpha; 相的晶體轉(zhuǎn)變驅(qū)動了從非平凡的 WTI 到普通絕緣體的拓撲相變。弱拓撲相可以被看作是三維堆積方向上的量子自旋霍爾（QSH）絕緣體，將為高度定向的和密集的自旋電流技術奠定基礎。相關研究成果以“A w

3、eak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide”為題發(fā)表在 Nature 上?！緢D文導讀】圖一、alpha;-Bi 4 I 4 和 beta;-Bi 4 I 4 的晶體結(jié)構、傳遞和能帶拓撲計算（a，b）從沿 b 軸的鏈方向看 alpha; 相（a）和 beta; 相（b）的晶體結(jié)構；（c，d）晶體電阻率沿鏈方向（rho; b ）隨溫度的變化關系，在（d）中，晶體溫度以 3K/ min 的速率緩慢變化，觀察到了滯后現(xiàn)象，揭示了 alpha;-Bi 4 I 4 和 beta;-Bi 4 I 4 之間的相

4、變；（e）展示 Brillouin 區(qū)域的 beta; 相的表面，顯示了文中討論的點和軸；（f）通過廣義梯度近似（GGA；灰色）和 GGA 加上修正的Becke-Johnson 交換勢（mBJ；綠色）獲得的無自旋軌道耦合（SOC）的 beta; 相的 DFT 計算；（g）包含 SOC 的 beta; 相的反轉(zhuǎn)。紅色圓和藍色圓分別標記 M和 L 點處體帶的偶平度(Ag，對應于波函數(shù)的不可約)和奇平度(B u )。通過改變 mBJ 中的參數(shù)來調(diào)整間隙大小。Ni 代表普通絕緣子；（h-k）實際空間中 beta;-Bi 4 I 4 的 TSS 示意圖及其在 WTI 相（h，i）和 STI 相（j，k）

5、的倒易空間中的能帶色散關系。（l-o）計算了 WTI 相(l，m)和 STI 相(n，o)沿不同的高對稱線(e 中的紅色和黃色雙頭箭頭)在側(cè)面(100)上的 TSS 色散。顏色比例表示為曲面計算的光譜權重。圖二、beta;-Bi 4 I 4 的兩個裂解面（a）beta;-Bi 4 I 4 樣品的典型(近似)尺寸；（b）裂解表面的掃描電鏡和激光顯微圖像（c），黑色圓圈表示在我們在角分辨光電子能譜（ARPES）實驗中使用的激光光斑的典型大?。▓D 3）；（d）裂解后 beta;-Bi 4 I 4 晶體在 ARPES 實驗中的 GISA_S 測量，樣品的鏈方向（b 軸）與入射 _ 射線平行排列，與 b

6、eta;-Bi 4 I 4 的（001）面和（100）面之間的夾角一致，裂解樣品的幅度和平面上產(chǎn)生的兩個強 _ 射線反射相距約 72deg;。圖三、通過激光-ARPES 測量 alpha;-Bi 4 I 4 和 beta;-Bi 4 I 4 的實驗能帶結(jié)構（a）激光 ARPES 的幾何實驗圖像，收集了不同發(fā)射角度的光電子，theta; 相對于上端面（001）；（b，c）分別表示在費米能 E f 中 alpha;-Bi 4 I 4 和 beta;-Bi 4 I 4 的光電子強度分布，強度集中在 40meV 內(nèi)，黑色和紅色虛線表示在Brillouin 區(qū)域上端（001）面和側(cè)端（100）面；（d-

7、m）在不同 theta; 值下，alpha; 相（d-g）和 beta; 相（h-m）的APRES 帶狀圖，在（f）中，發(fā)現(xiàn) alpha; 相價帶中的雙層分裂與密度泛函理論計算是一致的，在（j）中未觀察到 beta; 相，L 和 m 表示沿(100)面 Brillouin 區(qū)域的 Z - 點（c 中的黃色箭頭）和 Gamma; - 點（c 中的紅色箭頭）切割的高對稱線的 ARPES 帶映射；（n）在 theta;=49deg;時，（100）面內(nèi)自旋分量（即 z 自旋分量）的自旋分辨光電子強度和對應的自旋極化（P z ）（o）。測量的 K y 點由（I）中的紅色標記指示。上自旋強度（I up ）

8、和下自旋強度（I down ）（或極化）分別用紅色和藍色標記表示。圖四、Hv=85eV 時 beta;-Bi 4 I 4 的表面選擇性納米 ARPES（a）表面選擇性納米 ARPES 在 beta;-Bi 4 I 4 的側(cè)端面（100）的幾何示意圖；（b）左側(cè)，由光學顯微鏡拍攝的被測樣品實物圖像，中間，光電發(fā)射強度圖，右側(cè)，放大圖像，白色圓圈表示進行表面選擇性 ARPES 實驗的位置；（c）表面選擇性納米 ARPES 在（001）面的幾何示意圖；（d，e）分別表示在費米能 E f 在側(cè)面和頂部的光電子強度分布，強度集中在 100meV 內(nèi)，沒有樣品旋轉(zhuǎn)的情況下，并利用光電分析p 儀的電子偏轉(zhuǎn)器的特性進行收集，（100）面紅色虛線表示（d）和（001）面黑色虛線表示（e）；（f-i）在（100）面的 Gamma; - 和 Z - 點處的 E f 值處的 ARPES 帶映射和動量分布曲線（MDCs）（藍色曲線）；（f）和（h）中的黑色虛線是擬合 MDCs 中兩個峰結(jié)構的 Lorentzian 曲線，它們的峰值位置由（f）和（h）中的紅條表示；（j，k）在（001）面 Gamma; - 點的 ARPES 圖像（j）和在 E f 處的MDCs（k）?！拘〗Y(jié)】在作者看來，弱拓撲絕緣體可能具有幾種不同的科學技術含義。這一弱拓撲絕