美國普林斯頓大學的一個研究組于2010年7月15日在《自然》(Nature 466, 343～346 15 July 2010)雜志上面發(fā)表題為《拓撲表面態(tài)穿越表面障礙》(Transmission of topological surface states through surface barriers)的文章.在文章中他們用可靠的實驗數(shù)據(jù)給出了拓撲表面態(tài)穿越單晶銻材料原子尺度階梯狀表面障礙的傳播規(guī)律，為研究拓撲絕緣材料的性質(zhì)做出了重要的貢獻.

按照電子態(tài)結構的不同，傳統(tǒng)意義上的材料被分為“金屬”和“絕緣體”兩大類.而拓撲絕緣體是一種新的量子物質(zhì)態(tài)，完全不同于傳統(tǒng)意義上的“金屬”和“絕緣體”.拓撲絕緣體是一類由自旋-軌道耦合效應導致的新奇量子物態(tài).它的主體具有類似于絕緣體的能隙，而在其表面存在無能隙的金屬態(tài).也就是說這種材料的主體是絕緣的，但電子能通過它的表面流動.這種表面態(tài)來源于體能帶的拓撲結構，受時間反演對稱性的保護，需要用零質(zhì)量狄拉克方程描述.這些奇異性質(zhì)使拓撲絕緣體成為自旋電子學和量子計算等領域非常有應用潛力的材料.尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學穩(wěn)定性的強拓撲絕緣體材料和深入研究它的性質(zhì)成為了眾多物理學家的研究內(nèi)容.

根據(jù)理論的預言，電子在流經(jīng)拓樸絕緣體表面呈直角的原子尺度階梯狀障礙時，不會發(fā)生背散射(backscatter)，而電子在相同拓樸結構的金屬臺階前會發(fā)生強烈的背散射.但普林斯頓小組在論文中指出，“并沒有實驗證據(jù)證明拓樸表面態(tài)能夠穿越自然形成的表面障礙.”為此該小組以拓撲絕緣材料單晶銻和對照材料(銅、銀、金)在掃描隧穿顯微鏡(STM)的幫助下做了一組實驗，以研究電子穿越表面障礙的概率.

銻是一種半導體材料，從這個意義上來講它并非是一種嚴格的拓樸絕緣體，但它卻擁有拓樸表面態(tài).如封面主圖所示，在實驗中，一塊單晶銻先被加工成一段連續(xù)的階梯，再將這塊晶體置于高真空環(huán)境并將它冷卻到4 K，然后用STM對其表面進行分析.STM對每級臺階的電子能態(tài)密度單獨進行了測量.在這樣的實驗條件下，單晶銻表面的電子有一種趨勢是被束縛于每個臺階中，然而這些電子又處于拓樸表面態(tài)下有流經(jīng)直角臺階從盒中“泄漏”流向相鄰臺階的趨勢.當“泄漏”發(fā)生時，STM生成的圖像就會將電子能態(tài)密度的變化記錄下來.

通過對單晶銻實驗數(shù)據(jù)的計算，普林斯頓小組得出其表面電子在經(jīng)過直角階梯時，通過的概率和發(fā)生散射的概率各占50%；金屬對照組的實驗數(shù)據(jù)顯示通過的概率為零.根據(jù)理論的預言，電子在流經(jīng)拓樸絕緣體表面呈直角的原子尺度階梯狀障礙時，不會發(fā)生背散射，而實驗中散射發(fā)生的概率達到50%.對此該小組在論文中解釋說，這是因為銻晶體的電子態(tài)要比其他拓樸絕緣體材料的表面電子態(tài)復雜，其表面電子能否通過階梯還要決定于它的自旋狀態(tài).銻的能級結構和自旋性質(zhì)決定了它的表面電子在臺階上同時具有通過和散射兩種可能.

表面電子能否穿越障礙并不完全由拓樸表面態(tài)決定，這是該論文的一個重要發(fā)現(xiàn).但是在論文中，普林斯頓小組還指出，雖然STM在研究銻表面電子時工作得非常好，但是這種實驗方法并不適合用來研究背散射小得多的那些拓樸絕緣材料.

我國于1987年建成并向國內(nèi)外開放的表面物理國家重點實驗室也從事拓樸絕緣材料的研究.封面下面的小圖是該實驗室自行設計的一部分實驗裝置，其中有功能強大的超高真空原位生長和表面分析系統(tǒng)，可將STM針尖原位替換成四點微探針進行表面輸運性質(zhì)的測量.原位切換STM模式/四探針輸運測量模式，為獨創(chuàng)性的設計.

資料來源：Nature官方網(wǎng)站、中科院物理所表面物理國家重點實驗室網(wǎng)站