拓撲晶體絕緣體（TCI）是一類受晶體對稱性保護的非平庸拓撲態。在保持時間反演對稱性的體系中，理論上已預言了三種類型的TCI，分別受到鏡面、滑移面和旋轉對稱性保護。角分辨光電子能譜（ARPES）實驗已證實了鏡面對稱性保護TCI材料SnTe，并在KHgSb中觀測到滑移面保護TCI態的部分實驗證據。2017年，中國科學院物理研究所研究員方辰和美國麻省理工學院教授傅亮提出了旋轉對稱性保護的TCI。在與旋轉軸垂直的表面上存在n個狄拉克表面態，在表面布里淵區中的位置被n重旋轉對稱限制。理論計算預言了許多相關的候選材料。除此前在SnTe（001）面上觀測到的鏡面對稱性保護的狄拉克表面態也可以被旋轉對稱性解釋之外，尚未有其他實驗證據。
近日，物理所/北京凝聚態物理研究中心T03組特聘研究員王志俊、美國斯坦福大學博士后聶思敏，以及物理所EX10組博士研究生王翠香和研究員石友國，物理所EX7組博士研究生樊文輝和研究員錢天、丁洪等合作，結合理論計算、單晶制備和ARPES測量，在SrPb（鉛化鍶）中發現旋轉對稱性保護的TCI態。
如圖1a所示，SrPb的晶體結構中存在二重旋轉軸。在費米能級附近，能帶結構在整個布里淵區中的任意動量位置均具有直接帶隙（圖1d），因此，可以計算帶隙的拓撲不變量。理論計算發現，具有非平庸的拓撲不變量1，意味著在（010）面上的體態帶隙中存在一對旋轉對稱性保護的狄拉克表面態。理論分析表明，kz=0的鏡面也具有非平庸的拓撲不變量-2。受到這些晶體對稱性和時間反演對稱性的保護和限制，這一對狄拉克表面態預期位于（010）表面布里淵區的高對稱線上，如圖2d所示。經過細致的ARPES測量，科研人員在高對稱線上清晰觀測到一對狄拉克表面態（圖4）。
相關研究成果以Discovery of rotation anomaly in topological crystalline insulator SrPb為題，在線發表在Nature Communications上。石友國、王志俊、錢天為論文通訊作者，樊文輝（實驗觀測）、聶思敏（理論計算）、王翠香（樣品制備）為論文的并列第一作者。研究工作得到北京市自然科學基金、科技部、國家自然科學基金、中科院、北京市科學技術委員會等的資助。
圖1.拓撲晶體絕緣體SrPb的晶體結構及電子結構
圖2.SrPb的第一性原理計算
圖3.SrPb的體態電子結構
圖4.旋轉對稱性保護的狄拉克錐形表面態的實驗觀測