表面知道下面是什么：物理学家展示了如何检测高阶拓扑绝缘体

就像一本书不能通过它的封面来判断一样，一种材料也不能总是通过它的表面来判断。但是，对于一类难以捉摸的猜想材料，物理学家现在已经证明，以前被认为“无特征”的表面具有明确无误的特征，这可能导致第一次明确的观察。

高阶拓扑绝缘体(HOTI)因其表面沿一维线导电的能力而引起人们的关注，但这种特性很难通过实验与其他效应区分开来。通过从不同的角度研究这些材料的内部，一组物理学家发现了 HOTI 独有的表面特征，可以确定光如何从其表面反射。正如该团队在《自然通讯》杂志上报告的那样，该特性可用于通过实验确认真实材料中这种拓扑状态的存在。

伊利诺伊大学物理学教授巴里·布拉德林 (Barry Bradlyn) 表示：“HOTI 和其他拓扑绝缘体的体积或内部特性长期以来一直被忽视，但事实证明，那里也发生了很多有趣的事情。”厄巴纳-香槟分校和项目联合负责人。“当我们通过更仔细的镜头观察表面时，它们立即脱颖而出，远离琐碎或毫无特色。”

长期以来，拓扑绝缘体因其在具有绝缘内部的同时在其表面上承载电流的能力而闻名。然而，HOTI 会将导电限制在一维边缘或“铰链”，而不是整个二维表面。

“发现拓扑绝缘体的查尔斯·凯恩(Charles Kane)提出了一个很好的类比，”巴黎萨克雷大学物理理论研究所的教员兼项目联合负责人本杰明·维德(Benjamin Wieder)说。“我们可以将标准拓扑绝缘体视为 Hershey's Kisses™。将导电金属箔包裹在不导电的绝缘体(本例中为巧克力)周围，是理解它们的好方法。不过，对于 HOTI，它就像尽管有人拿走了箔纸并将其揉成一个围绕着巧克力的薄环。”

虽然在标准拓扑绝缘体中观察到表面导电状态，但事实证明解决 HOTI 中的铰链异常困难。布拉德林解释说，这种特性只能存在于具有异常高度对称性的材料样本中，这意味着它们的晶体结构必须是不切实际的完美。

相反，布拉德林和他的合作者将注意力从铰链态转向内部，其中电子倾向于从单个原子“离域”并扩散到整个材料。与过去对所有电子一视同仁的研究不同，研究人员考虑了自旋的差异——电子的一种特性使它们能够表现得像微型磁铁。

“当我们将内部电子分为两种可能的自旋状态(向上和向下)时，我们发现每种状态都留下了独特的表面特征，”伊利诺伊大学物理研究生林宽森(Kuan-Sen Lin)说，他是这项研究的负责人。主要作者。“尽管 HOTI 的表面看起来并不有趣，但当你观察每个旋转在表面上分别所做的事情时，就会出现一种明显的新行为，我们希望很快就能在实验中对其进行测量。”

由于具有不同自旋的电子表现为磁铁，因此当向材料施加电压时，它们的响应不同，导致两种自旋态在相反的两侧累积。这种积累可以通过利用磁光克尔效应来检测，其中光的偏振或方向在从磁体表面反射时会发生变化。就 HOTI 而言，研究人员计算了每个自旋态的极化变化，他们发现它恰好是普通绝缘体引起的变化的一半。

东北大学物理学教授、该研究的通讯作者格雷戈里·菲特 (Gregory Fiete) 表示：“在‘吻’的类比中，我们可能会预期，因为箔片已被弄皱，巧克力会直接与空气接触。” “根据我们发现的自旋相关表面行为，我们可以说实际上有一个透明层将巧克力与超市的其他部分分开。”

通过使用研究人员为本研究开发的专门理论工具包进行第一性原理计算，他们确定金属溴化铋是观察这种效应的有力候选者。他们目前正在与伊利诺伊大学物理学教授 Fahad Mahmood 和伊利诺伊大学材料科学与工程教授 Daniel Shoemaker 合作，设计并执行本研究中提出的实验。

布拉德林说：“我们在这里确定的 HOTI 的特性在量子计算和自旋电子器件中非常有用，但我们需要首先在实验中看到它们。” Wieder 补充道：“我们希望我们的工作表明，如果你知道如何寻找拓扑材料的内部和表面，它们仍然具有许多神秘且有利的特征。”

文章“三维绝缘体中的自旋解析拓扑和部分轴子角”可在线获取。

中科院郭兆鹏、王志军对溴化铋进行第一性原理计算

宾厄姆顿大学的 Jeremey Blackburn 提供了额外的计算支持。

都柏林高等研究院的 Giandomenico Palumbo 和伊利诺伊大学的 Yoonseok Hwang 也对这项工作做出了贡献。

由美国能源部能源前沿研究中心量子传感和量子材料中心、基础能源科学科学办公室提供支持;欧盟和欧洲研究理事会的地平线欧洲研究与创新计划;美国国家科学基金会;阿尔弗雷德·斯隆基金会;空军科学研究办公室;海军研究办公室;国家自然科学基金委;和中国科学院战略性先导研究计划。

来源: Materials provided by University of Illinois Grainger College of Engineering. Original written by Michael O'Boyle.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Kuan-Sen Lin, Giandomenico Palumbo, Zhaopeng Guo, Yoonseok Hwang, Jeremy Blackburn, Daniel P. Shoemaker, Fahad Mahmood, Zhijun Wang, Gregory A. Fiete, Benjamin J. Wieder, Barry Bradlyn. Spin-resolved topology and partial axion angles in three-dimensional insulators. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-44762-w