近日，北京航空航天大学物理学院表面物理与量子物质研究团队与清华大学合作，在实现通弱拓扑绝缘体中可调控的量子自旋霍尔通道方面取得重要进展，相关研究成果于2023年8月16日以“Towards Layer-Selective Quantum Spin Hall Channels in Weak Topological Insulator Bi4Br2I2”为题在线发表于《自然-通讯》。北京航空航天大学物理学院博士生钟景元、杨明、石志坚为共同第一作者，杜轶教授、庄金呈副教授、王建峰副教授与清华大学杨乐仙副教授为共同通讯作者，北京航空航天大学物理学院为第一单位。
为了尽可能减小电信号在传输过程中的损耗，人们致力于寻找无耗散的导电通道。量子自旋霍尔绝缘体（QSHI）受体边对应关系的保护，拓扑边界态表现为Dirac型线性色散，是具有强抗干扰能力以及高迁移率的“电子高速公路”，可应用于低能耗量子自旋器件以及量子计算机等。另一方面，二维的QSHI可作为三维拓扑物质的结构基元。因此，如何利用已有的QSHI，通过调控层间耦合作用以及层间堆垛方式，以实现新奇拓扑物态，是凝聚态物理研究的前沿和热点。
在本项工作中，研究团队通过调控卤族元素的化学比例等方法，实现了由三层非简并的量子自旋霍尔绝缘体通过A1-A2-B式堆叠形成的Bi4Br2I2，发现其为一种新型弱拓扑绝缘体材料。由于在层与层之间的平移对称性被三重交错堆叠打破，三层量子自旋霍尔绝缘体的各层拓扑边界态色散结构产生可观差异，在偏离高对称点的位置交叉耦合打开能隙。当费米面处于不同拓扑边界态的能隙内时，费米面附近可导电通道仅由该带隙内剩余拓扑边界态提供，使得单独调控某几层量子自旋霍尔通道成为可能。
图1. Bi4Br2I2拓扑表面态耦合导致具有层选择性的量子自旋霍尔通道
通过（001）和（100）双解理面的XRD、STM表征以及（010）面的STEM测量，从三维尺度上成功表征了Bi4Br2I2三层原胞的结构，分别为两层同向排列链与一层反向排列链。利用ARPES和STS确定了其体能隙大于0.1 eV，该能量值远高于室温的热扰动能量，因此材料具有室温下的应用前景。在边界态耦合的（100）面上，观测到三对不同能量位置的拓扑表面态，并且在其偏离高对称点位置由于耦合打开0.5 ~ 10 meV的能隙，说明其不同层拓扑边态之间耦合强度具有差异。
通过DFT计算与高分辨Laser ARPES结果的对比，理论与实验的费米面、表面态色散均体现了高度一致性，说明模型的可靠性。通过门电压调控的方式改变费米面位置，当费米面位于不同表面态能隙中时，能够实现某几层量子自旋霍尔通道的单独导通。本工作展示了利用交错堆叠不同QSHI实现新奇拓扑物态的可行性，同时提供了一种设计具有层选择性的量子自旋霍尔通道的思路，为多自由度自旋电子学的研究提供了新视角。
该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划、北航“十大科学问题”专项等基金的支持。
文章链接及信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40735-7
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