眾所周知，二維拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)是絕緣的，而其邊界是無(wú)能隙的金屬導(dǎo)電態(tài)。且這種金屬態(tài)中存在自旋－動(dòng)量的鎖定關(guān)系，相反自旋的電子向相反的方向運(yùn)動(dòng)，由于受到時(shí)間反演不變性的保護(hù)，它們之間的散射是禁止的，因此是自旋輸運(yùn)的理想“雙向車道”高速公路，可用于新型低能耗高性能自旋電子器件。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確定具有量子自旋霍爾效應(yīng)的二維拓?fù)浣^緣體有HgTe/CdTe和InAs/GaSb量子阱。但它們的樣品制備需要精準(zhǔn)的調(diào)控，不利于規(guī)�；a(chǎn)；體能隙小，在極低溫下才能顯示出量子自旋霍爾效應(yīng)。這些都阻礙了二維拓?fù)浣^緣體的實(shí)際應(yīng)用。一個(gè)好的二維拓?fù)浣^緣體必須：1）具有層狀結(jié)構(gòu)，易于得到化學(xué)穩(wěn)定的二維系統(tǒng)；2）體能隙大，在室溫下就能應(yīng)用于日常電子器件。尋找理想的大能隙二維拓?fù)浣^緣體近年來(lái)一直是該研究領(lǐng)域的重要研究方向。
人們已經(jīng)理論預(yù)言了多種大能隙二維拓?fù)浣^緣體，如雙層Bi（111），并通過(guò)掃描隧道顯微鏡在雙層Bi（111）膜的邊界觀測(cè)到一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)，但在遠(yuǎn)離邊界的地方?jīng)]有觀測(cè)到態(tài)密度為零的能隙，說(shuō)明目前制備的雙層Bi（111）膜的體態(tài)不是絕緣的，阻礙了量子自旋霍爾效應(yīng)的測(cè)量和實(shí)際應(yīng)用。除了薄膜之外，在二維拓?fù)浣^緣體堆積的單晶表面臺(tái)階處也可以獲得一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)。原則上，具有臺(tái)階的表面可以看成將二維單層膜放在襯底之上，這時(shí)單層膜和襯底有相同的化學(xué)組分。拓?fù)溥吔鐟B(tài)在Bi和Bi14Rh3I9單晶表面臺(tái)階處也已經(jīng)觀測(cè)到，但在遠(yuǎn)離臺(tái)階的地方，能隙中仍有非零的態(tài)密度。在表面臺(tái)階處實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥吔鐟B(tài)需要滿足一些必要條件：1）單層是二維拓?fù)浣^緣體；2）較弱的層間耦合，否則會(huì)失去原有的拓?fù)溥吔鐟B(tài)的性質(zhì)；3）堆積成的單晶必須是弱拓?fù)浣^緣體，否則對(duì)于強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，臺(tái)階處拓?fù)溥吔鐟B(tài)和強(qiáng)拓?fù)浣^緣體拓?fù)浔砻鎽B(tài)雜化，也會(huì)失去原有的拓?fù)溥吔鐟B(tài)性質(zhì)。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）的理論計(jì)算、材料制備和譜學(xué)測(cè)量的研究團(tuán)隊(duì)緊密合作，證實(shí)了ZrTe5單晶滿足以上三個(gè)必要條件，提供了表面臺(tái)階處具有拓?fù)溥吔鐟B(tài)的證據(jù)。2014年，副研究員翁紅明、研究員戴希、研究員方忠預(yù)言單層ZrTe5和HfTe5是大能隙的二維拓?fù)浣^緣體，組成的塊材單晶在強(qiáng)拓?fù)浜腿跬負(fù)浣^緣體的拓?fù)淞孔优R界點(diǎn)附近【PRX 4, 011002 (2014)】。陳根富研究組的博士生趙凌霄生長(zhǎng)出高質(zhì)量ZrTe5單晶樣品。潘庶亨研究組的博士生武睿以及丁洪研究組的博士生馬均章和副研究員錢天分別利用掃描隧道顯微鏡（STM）和角分辨光電子能譜（ARPES）對(duì)ZrTe5單晶解理表面電子態(tài)進(jìn)行測(cè)量。他們通過(guò)角分辨光電子能譜測(cè)量，發(fā)現(xiàn)ZrTe5垂直表面的電子結(jié)構(gòu)只有很弱的色散（圖2e），表明其層間耦合很弱。角分辨光電子能譜觀測(cè)到價(jià)帶和能帶在布里淵區(qū)Gamma點(diǎn)費(fèi)米能級(jí)處形成一個(gè)100meV的能隙，并且在能隙中沒(méi)有表面態(tài)（圖3）。低溫掃描隧道顯微譜（STS）測(cè)量確定了在ZrTe5單晶表面遠(yuǎn)離臺(tái)階處，能隙中態(tài)密度為零（圖1c）。這些實(shí)驗(yàn)不僅確定了ZrTe5是弱拓?fù)浣^緣體，而且揭示了絕緣的體態(tài)，這對(duì)于進(jìn)一步的量子自旋霍爾效應(yīng)的觀測(cè)和實(shí)際應(yīng)用非常重要。掃描隧道顯微譜進(jìn)一步觀測(cè)到在臺(tái)階處的能隙內(nèi)有幾乎為常數(shù)的有限態(tài)密度（圖4a,c）。方忠、戴希研究組的博士生聶思敏和副研究員翁紅明進(jìn)行了第一性原理計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，并證實(shí)了表面臺(tái)階處邊界態(tài)的拓?fù)浞瞧接剐再|(zhì)（圖4b,d）。
這個(gè)工作是首次觀測(cè)到具有大能隙的絕緣體態(tài)，即能隙中態(tài)密度為零，材料的邊界觀測(cè)到一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)，有利于高溫下量子自旋霍爾效應(yīng)的觀測(cè)和實(shí)際應(yīng)用。這一研究成果發(fā)表在Physical Review X 6, 021017 (2016)上。
該工作得到科技部“973”項(xiàng)目（2015CB921300、2013CB921700、2011CBA00108）、國(guó)家自然科學(xué)基金委（11227903、11474340、11422428、11274362、11234014）和中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目（XDB07000000）的支持。
圖1：ZrTe5晶體結(jié)構(gòu)和STM表面形貌圖。STM在表面遠(yuǎn)離臺(tái)階處觀測(cè)到100meV的能隙，能隙中的態(tài)密度為零（圖1c插圖）。
圖2：ZrTe5單晶電子結(jié)構(gòu)的ARPES測(cè)量結(jié)果，與能帶計(jì)算吻合。圖2e中垂直表面的輕微能帶色散標(biāo)志ZrTe5單晶非常弱的層間耦合。
圖3：輕微電子摻雜的ZrTe5單晶電子結(jié)構(gòu)的ARPES測(cè)量結(jié)果，證實(shí)了費(fèi)米能級(jí)處100meV的能隙，并且能隙中沒(méi)有表面態(tài)，確定了ZrTe5單晶是弱拓?fù)浣^緣體。
圖4：STS測(cè)量揭示表面臺(tái)階處能隙中幾乎常數(shù)的有限態(tài)密度，表明臺(tái)階處存在邊界態(tài)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，并且證實(shí)了邊界態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)。
