近日，北航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、湘潭大學等合作，在實現調控狄拉克費米子特性研究方面取得重要進展，相關研究成果于2024年12月17日以“Mass Acquisition of Dirac Fermions in Bi₄I₄ by Spontaneous Symmetry Breaking”為題在線發表于《物理評論快報》上。beat365英国官网网站博士生楊明、石志堅為共同第一作者，杜轶教授、莊金呈副教授與湘潭大學劉韻丹副教授為共同通訊作者，北航為第一單位。

拓撲絕緣體和拓撲絕緣體和拓撲晶體絕緣體具有受拓撲保護的邊界帶，邊界态上無質量的狄拉克費米子具有自旋織構，分别受到時間反轉對稱性和晶體對稱性的保護。而有質量的狄拉克費米子對于産生新的拓撲量子現象和低能耗自旋電子學的應用很有價值，可通過引入擾動來破壞拓撲絕緣體中的時間反演對稱性或拓撲晶體絕緣體中的晶體對稱性獲得。另一種賦予狄拉克費米子質量的方法是通過自發對稱破缺，這類似于粒子物理學中的希格斯粒子的産生機制。而這樣一種通過自發對稱性破缺導緻的有質量狄拉克費米子的方法尚未得到理論的驗證。

在本項工作中，研究團隊發現在Bi₄I₄這個材料中，随着溫度的下降存在結構相變，進而導緻對稱性降低，即自發對稱性破缺現象。這種自發對稱性破缺會導緻單層的量子自旋霍爾絕緣體中原本簡并的拓撲邊界态變為非簡并狀态（如圖c所示）。把這些具有非簡并邊界态的量子自旋霍爾絕緣體按照具有層間反演中心的形式進行範德華堆垛形成三維材料，非簡并的邊界态會沿着面外方向交替排列排列（圖g），由于層間耦合作用，非簡并的邊界态會在能帶相交處耦合打開能隙，進而産生有質量的狄拉克費米子。

研究團隊利用掃描隧道顯微鏡/譜從實驗上探測到了非簡并的拓撲邊界态，并結合理論計算發現兩個邊界态狄拉克錐點位置存在一個十幾個毫電子伏特的能量差異。利用激光角分辨光電子能譜，在動量空間上直觀地觀測到非簡并的狄拉克能帶，以及有自發對稱性破缺和層間耦合作用導緻狄拉克能帶打開了能隙。通過與表面态的對比發現，我們的實驗數據與理論計算結果高度一緻，從實驗上證實了由自發對稱性破缺輔以層間耦合作用确實可以産生有質量的狄拉克費米子，促進了狄拉克費米子相關的器件應用。

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、中央高校基本科研業務費專項資金等的支持。

文章鍊接及信息：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.256601