拓朴绝缘体研究的新进展

美国普林斯顿大学的一个研究组于2010年7月15日在《自然》(Nature 466, 343～346 15 July 2010)杂志上面发表题为《拓扑表面态穿越表面障碍》(Transmission of topological surface states through surface barriers)的文章.在文章中他们用可靠的实验数据给出了拓扑表面态穿越单晶锑材料原子尺度阶梯状表面障碍的传播规律，为研究拓扑绝缘材料的性质做出了重要的贡献.

按照电子态结构的不同，传统意义上的材料被分为“金属”和“绝缘体”两大类.而拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”.拓扑绝缘体是一类由自旋-轨道耦合效应导致的新奇量子物态.它的主体具有类似于绝缘体的能隙，而在其表面存在无能隙的金属态.也就是说这种材料的主体是绝缘的，但电子能通过它的表面流动.这种表面态来源于体能带的拓扑结构，受时间反演对称性的保护，需要用零质量狄拉克方程描述.这些奇异性质使拓扑绝缘体成为自旋电子学和量子计算等领域非常有应用潜力的材料.寻找具有足够大的体能隙并且具有化学稳定性的强拓扑绝缘体材料和深入研究它的性质成为了众多物理学家的研究内容.

根据理论的预言，电子在流经拓朴绝缘体表面呈直角的原子尺度阶梯状障碍时，不会发生背散射(backscatter)，而电子在相同拓朴结构的金属台阶前会发生强烈的背散射.但普林斯顿小组在论文中指出，“并没有实验证据证明拓朴表面态能够穿越自然形成的表面障碍.”为此该小组以拓扑绝缘材料单晶锑和对照材料(铜、银、金)在扫描隧穿显微镜(STM)的帮助下做了一组实验，以研究电子穿越表面障碍的概率.

锑是一种半导体材料，从这个意义上来讲它并非是一种严格的拓朴绝缘体，但它却拥有拓朴表面态.如封面主图所示，在实验中，一块单晶锑先被加工成一段连续的阶梯，再将这块晶体置于高真空环境并将它冷却到4 K，然后用STM对其表面进行分析.STM对每级台阶的电子能态密度单独进行了测量.在这样的实验条件下，单晶锑表面的电子有一种趋势是被束缚于每个台阶中，然而这些电子又处于拓朴表面态下有流经直角台阶从盒中“泄漏”流向相邻台阶的趋势.当“泄漏”发生时，STM生成的图像就会将电子能态密度的变化记录下来.

通过对单晶锑实验数据的计算，普林斯顿小组得出其表面电子在经过直角阶梯时，通过的概率和发生散射的概率各占50%；金属对照组的实验数据显示通过的概率为零.根据理论的预言，电子在流经拓朴绝缘体表面呈直角的原子尺度阶梯状障碍时，不会发生背散射，而实验中散射发生的概率达到50%.对此该小组在论文中解释说，这是因为锑晶体的电子态要比其他拓朴绝缘体材料的表面电子态复杂，其表面电子能否通过阶梯还要决定于它的自旋状态.锑的能级结构和自旋性质决定了它的表面电子在台阶上同时具有通过和散射两种可能.

表面电子能否穿越障碍并不完全由拓朴表面态决定，这是该论文的一个重要发现.但是在论文中，普林斯顿小组还指出，虽然STM在研究锑表面电子时工作得非常好，但是这种实验方法并不适合用来研究背散射小得多的那些拓朴绝缘材料.

我国于1987年建成并向国内外开放的表面物理国家重点实验室也从事拓朴绝缘材料的研究.封面下面的小图是该实验室自行设计的一部分实验装置，其中有功能强大的超高真空原位生长和表面分析系统，可将STM针尖原位替换成四点微探针进行表面输运性质的测量.原位切换STM模式/四探针输运测量模式，为独创性的设计.

资料来源：Nature官方网站、中科院物理所表面物理国家重点实验室网站