近日，beat365英国官网网站beat365英国官网网站表面物理與量子物質研究團隊與清華大學合作，在實現通弱拓撲絕緣體中可調控的量子自旋霍爾通道方面取得重要進展，相關研究成果于2023年8月16日以“Towards Layer-Selective Quantum Spin Hall Channels in Weak Topological Insulator Bi₄Br₂I₂”為題在線發表于《自然-通訊》。beat365英国官网网站beat365英国官网网站博士生鐘景元、楊明、石志堅為共同第一作者，杜轶教授、莊金呈副教授、王建峰副教授與清華大學楊樂仙副教授為共同通訊作者，beat365英国官网网站beat365英国官网网站為第一單位。

為了盡可能減小電信号在傳輸過程中的損耗，人們緻力于尋找無耗散的導電通道。量子自旋霍爾絕緣體（QSHI）受體邊對應關系的保護，拓撲邊界态表現為Dirac型線性色散，是具有強抗幹擾能力以及高遷移率的“電子高速公路”，可應用于低能耗量子自旋器件以及量子計算機等。另一方面，二維的QSHI可作為三維拓撲物質的結構基元。因此，如何利用已有的QSHI，通過調控層間耦合作用以及層間堆垛方式，實現新奇拓撲物态，是凝聚态物理研究的前沿和熱點。

在本項工作中，研究團隊通過調控鹵族元素的化學比例等方法，實現了由三層非簡并的量子自旋霍爾絕緣體通過A₁-A₂-B式堆疊形成的Bi₄Br₂I₂，發現其為一種新型弱拓撲絕緣體材料。由于在層與層之間的平移對稱性被三重交錯堆疊打破，三層量子自旋霍爾絕緣體的各層拓撲邊界态色散結構産生可觀差異，在偏離高對稱點的位置交叉耦合打開能隙。當費米面處于不同拓撲邊界态的能隙内時，費米面附近可導電通道僅由該帶隙内剩餘拓撲邊界态提供，使得單獨調控某幾層量子自旋霍爾通道成為可能。

圖1. Bi₄Br₂I₂拓撲表面态耦合導緻具有層選擇性的量子自旋霍爾通道

通過（001）和（100）雙解理面的XRD、STM表征以及（010）面的STEM測量，從三維尺度上成功表征了Bi₄Br₂I₂三層原胞的結構，分别為兩層同向排列鍊與一層反向排列鍊。利用ARPES和STS确定了其體能隙大于0.1 eV，該能量值遠高于室溫的熱擾動能量，因此材料具有室溫下的應用前景。在邊界态耦合的（100）面上，觀測到三對不同能量位置的拓撲表面态，并且在其偏離高對稱點位置由于耦合打開0.5 ~ 10 meV的能隙，說明其不同層拓撲邊态之間耦合強度具有差異。

通過DFT計算與高分辨Laser ARPES結果的對比，理論與實驗的費米面、表面态色散均體現了高度一緻性，說明模型的可靠性。通過門電壓調控的方式改變費米面位置，當費米面位于不同表面态能隙中時，能夠實現某幾層量子自旋霍爾通道的單獨導通。本工作展示了利用交錯堆疊不同QSHI實現新奇拓撲物态的可行性，同時提供了一種設計具有層選擇性的量子自旋霍爾通道的思路，為多自由度自旋電子學的研究提供了新視角。

該研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、國家重點研發計劃、北航“十大科學問題”專項等基金的支持。

文章鍊接及信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40735-7