拓撲絕緣體常溫常壓下表面態(tài)行為研究取得進展

　　不同于傳統(tǒng)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(tài)：它的體態(tài)是有能隙的半導體/絕緣體，表面則表現(xiàn)為沒有能隙的金屬態(tài)。這種*由材料體態(tài)電子結(jié)構(gòu)的拓撲性質(zhì)所決定的表面態(tài)，由于受到對稱性的保護，基本不受雜質(zhì)或無序的影響，因此非常穩(wěn)定。拓撲絕緣體的研究對探索和發(fā)現(xiàn)新的量子現(xiàn)象，以及在自旋電子學和量子計算等領(lǐng)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(tài)的主要實驗手段，掃描隧道顯微鏡也在拓撲絕緣體表面態(tài)的研究中發(fā)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(xiàn)的，對新鮮清潔樣品表面的測量。另一方面，對表面態(tài)輸運性質(zhì)的測量以及光學性質(zhì)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(tài)還存在嗎?空氣對表面態(tài)有怎樣的影響呢?

　　中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)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(tài)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(tǒng)，對典型的三維拓撲絕緣體Bi2Se3和Bi2Te3在暴露空氣后的表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)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(zhì)量的Bi2(Te,Se)3拓撲絕緣體單晶樣品，實現(xiàn)了樣品體態(tài)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(fā)現(xiàn)Se摻雜量的不同會引起材料體態(tài)和表面態(tài)能帶結(jié)構(gòu)及載流子濃度的顯著變化(圖)。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(tài)進行測量(圖2，3，4)。

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