物理學院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、南京微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的李紹春教授與陳延彬副教授合作，在表征二維拓撲絕緣體方面取得了重要進展，相關(guān)研究成果以《Experimental Observation of Topological Edge States at the Surface Step Edge of the Topological Insulator ZrTe₅》為題，于2016年04月28日在線發(fā)表在Physical Review Letters [PRL 116, 176803 (2016)]。南京大學物理學院博士生李向兵，已畢業(yè)碩士生黃文凱，和工學院博士生呂洋洋為論文的共同第一作者。李紹春教授和陳延彬副教授為論文的共同通訊作者。南京大學陳延峰教授和邢定鈺院士指導了本文工作。邢定鈺院士在論文的寫作方面給予了大力的支持。其它單位的參與者包括清華大學的薛其坤院士和上海交通大學的賈金鋒教授。

二維拓撲絕緣體由于具有量子自旋霍爾效應(yīng)而最近備受學術(shù)界的關(guān)注。二維拓撲絕緣體的特點是，具有帶隙的體能帶結(jié)構(gòu)和拓撲保護的一維邊界態(tài)。在實驗上尋找結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的大能隙二維拓撲絕緣體是當前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一個研究熱點，致力于提高量子自旋霍爾效應(yīng)的工作溫度。近年來，很多研究工作都聚焦于ZrTe₅, 該材料很有可能是一種良好的二維拓撲絕緣體。然而ZrTe₅的三維體相的拓撲性質(zhì)卻存在極大的爭議。理論計算表明體相ZrTe₅是弱拓撲絕緣體或者強拓撲絕緣體，而大量的實驗結(jié)果顯示ZrTe₅的體相具有半金屬行為。在本工作中，我們首次利用高分辨的掃描隧道顯微技術(shù)在實空間的原子尺度上精確表征了ZrTe₅的體態(tài)和邊界態(tài)，并發(fā)現(xiàn)在表面臺階處具有一維的拓撲邊界態(tài)，而體能帶具有100 meV左右的帶隙，從而證實了ZrTe₅是一種新的大帶隙二維拓撲絕緣體。另外，我們還在實驗上首次觀察到了一維拓撲邊界態(tài)在磁場下的響應(yīng)。在外磁場作用下，能量簡并的一維邊界態(tài)發(fā)生了能量劈裂。這種邊界態(tài)在能量上的劈裂與其體能帶在磁場下的變化有密切的關(guān)系，并且與理論模型相吻合。

ZrTe₅材料具有高質(zhì)量的單晶性和理想的一維表面臺階結(jié)構(gòu)，為進一步研究基于二維拓撲絕緣體界面的奇異物理現(xiàn)象提供了良好的材料平臺，比如探尋Majorana費米子或者反常量子霍爾效應(yīng)等等。圖一顯示了ZrTe₅表面的臺階結(jié)構(gòu)和原子分辨的形貌；圖二顯示了實驗上測量得到的臺階處一維邊界態(tài)和體帶隙。

圖一：(a) ZrTe5的晶體結(jié)構(gòu)；(b) 4K下獲得的ZrTe5表面的臺階形貌，面積為25x25 nm²；(c) ZrTe5表面的原子分辨形貌，面積為8x8 nm²；(d) 在ZrTe5表面獲得的局域態(tài)密度信息顯示100meV的能隙。

圖二：(a) 在ZrTe₅表面臺階處測量的微分電導（局域態(tài)密度）；(b) 圖(a)的快速傅立葉變換結(jié)果；(c) 邊界態(tài)在不同能量位置的穿透深度；(d) 體相（黑色）和邊界處（紅色）的局域態(tài)密度比較；(e) 邊界態(tài)沿著表面臺階分布的一維性質(zhì)。

本工作的完成得益于南京大學在三個方面的完美合作，包括高質(zhì)量單晶樣品的制備（陳延彬、陳延峰），高分辨的低溫掃描隧道顯微術(shù)表征（李紹春）和理論模型的支持（盛利、邢定鈺）。

工作得到國家科技部、自然科學基金委、青年千人計劃、以及中央高校經(jīng)費等項目的支持。

（物理學院 科學技術(shù)處）