拓撲絕緣體常溫常壓下表面態行為研究取得進展

不同于傳統意義上的“金屬”或“絕緣體”，拓撲絕緣體代表一種全新的量子物態：它的體態是有能隙的半導體/絕緣體，表面則表現為沒有能隙的金屬態。這種*由材料體態電子結構的拓撲性質所決定的表面態，由于受到對稱性的保護，基本不受雜質或無序的影響，因此非常穩定。拓撲絕緣體的研究對探索和發現新的量子現象，以及在自旋電子學和量子計算等領域的潛在應用都具有重要意義。

　　角分辨光電子能譜是直接探測拓撲絕緣體表面態的主要實驗手段，掃描隧道顯微鏡也在拓撲絕緣體表面態的研究中發揮了重要作用。但這些實驗手段都是在超高真空條件下實現的，對新鮮清潔樣品表面的測量。另一方面，對表面態輸運性質的測量以及光學性質的測量，樣品表面一般是一直暴露在空氣中或曾在空氣中暴露過。對拓撲絕緣體的應用而言，也必須考慮暴露空氣的影響。那么，對于空氣中暴露過的拓撲絕緣體，它的表面態還存在嗎?空氣對表面態有怎樣的影響呢?

　　中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）超導國家重點實驗室周興江研究組博士生陳朝宇與凝聚態理論與材料計算實驗室方忠、戴希研究組翁紅明博士等合作，利用自主研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜系統，對典型的三維拓撲絕緣體Bi2Se3和Bi2Te3在暴露空氣后的表面態電子結構進行了研究，對以上問題給出了明確答案。

　　周興江研究組首長出了一系列高質量的Bi2（Te,Se）3拓撲絕緣體單晶樣品，實現了樣品體態載流子從電子型到空穴型的演變。對真空解理樣品的光電子能譜研究中，他們發現Se摻雜量的不同會引起材料體態和表面態能帶結構及載流子濃度的顯著變化（圖1）。隨后，他們對在空氣中或氮氣中暴露過的拓撲絕緣體表面態進行測量（圖2，3，4）。

　　首先，研究人員發現暴露空氣之后的拓撲絕緣體的拓撲表面態依然存在，直接證明了空氣環境中拓撲序的穩定性;其次，暴露空氣之后材料的表面態電子結構發生了顯著的變化，表現出明顯的電子摻雜，導致表面態能帶整體向結合能更大的方向移動，費米面也相應地產生了顯著變化;zui后，非常有趣的是，在拓撲絕緣體的表面，產生了與表面態共存的額外的量子阱態。研究發現，通常的能帶彎曲模型不能解釋量子阱態既在價帶又在導帶出現的情形，并提出一種新的理解量子阱態形成的圖像。

　　拓撲絕緣體表面態在暴露空氣之后表現出的這些行為，對于拓撲絕緣體相關的基礎研究和zui終應用有著重要的意義。相關的工作發表在《美國國家*院刊》上[Chen Chaoyu et al. Proceedings of the National Academy of Sciences 109 （2012） 3694]。

 拓撲絕緣體常溫常壓下表面態行為研究取得進展