北航新聞網2月9日電（通訊員 馮海鳳）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、南開大學等合作，在實現多重可控拓撲相變研究方面取得重要進展，相關研究成果于1月30日以“Coalescence of multiple topological orders in quasi-one-dimensional bismuth halide chains”為題在線發表于《Nature Communications》上。beat365英国官网网站博士生鐘景元、楊明為共同第一作者，杜轶教授、莊金呈副教授與南開大學胡振芃教授為共同通訊作者，其他合作者包括湘潭大學劉韻丹副教授、安徽大學程甯燕副教授、常熟理工大學周葦副教授、北航王建峰副教授、郝維昌教授、呂金虎教授等，北航為第一單位。

拓撲量子材料由于其載流子具有低耗散、強穩定性、攜帶自旋信息等特征受到廣泛關注，同時這類材料能夠産生獨特拓撲電子結構，這不僅對基礎研究具有重要意義，也為未來量子器件的實際應用帶來了益處。理論上，這些奇特的量子相可以通過調控内禀或外禀序參量來驅動拓撲相變。然而，由于拓撲材料具有穩定性，不同拓撲序之間往往難以相互轉換，更加難以實現多種拓撲序共存的新奇材料體系，使得拓撲量子材料的設計和應用化面臨重大挑戰。

在此項工作中，研究團隊利用角分辨光電子能譜、掃描隧道顯微鏡以及理論計算，研究了一種準一維材料體系——Bi4X4（X=Br，I），通過調控鹵族元素Br和I的比例實現多重可控拓撲相變，進一步實現了雙重拓撲序共存的拓撲量子材料。在該材料體系中，Bi元素提供強自旋軌道耦合作用，導緻其電子結構具有雙點雙重能帶反轉（圖a-b），産生高階拓撲量子相。以此為基礎，通過Br和I元素摻雜能夠實現單點的能帶交叉（圖c），導緻高階拓撲和強拓撲的複合拓撲态誕生于Br：I摩爾比約2：8的Bi4X4晶體中。

本質上，研究團隊利用鹵族元素Br和I的電負性、原子半徑差異，通過引入不同比例的鹵族元素調控Bi4X4鍊間、層間的相互作用，最終實現了單層堆垛、雙層平行堆垛、雙層反平行堆垛、三層混合堆垛等多種堆垛模式。進一步，由于Bi4X4單原子層是理想的量子自旋霍爾絕緣體，不同堆垛模式帶來了不同的層間耦合方式，以此實現了拓撲邊界态的不同種耦合方式，成功設計并實現三維高階拓撲絕緣體、弱拓撲絕緣體、狄拉克半金屬、強拓撲+高階拓撲共存相、平庸絕緣體等多種拓撲電子态，并構建了它們之間的轉化關系與整體拓撲序相圖（圖d）。該材料體系中的豐富可控拓撲相、複合拓撲相不僅對複雜拓撲電子态的耦合關系提供了平台，更為設計、實現多功能集成化的拓撲電子元器件奠定了堅實基礎。

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：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56593-4

（審核：王菲）

編輯：賈愛平