物理所預言新型二維大能隙拓撲絕緣體

　　眾所周知，二維拓撲絕緣體的體內是絕緣的，而其邊界是無能隙的金屬導電態。且這種金屬態中存在自旋－動量的鎖定關系，相反自旋的電子向相反的方向運動，由于受到時間反演不變性的保護，它們之間的散射是禁止的，因此是自旋輸運的理想“雙向車道”高速公路，可用于新型低能耗高性能自旋電子器件。當前實驗證實的二維拓撲絕緣體有HgTe/CdTe和InAs/GaSb等的量子阱。但它們的樣品制備需要精準的調控，不利于規模化生產；體能隙小，需要在低溫下應用。這些都阻礙了二維拓撲絕緣體的實際應用。一個好的二維拓撲絕緣體必須：（1）具有層狀結構，易于得到化學穩定的二維系統；（2）體能隙大，在室溫下就能觀測到量子自旋霍爾效應，可用于日常電子器件。

　　2014年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）的凝聚態理論與材料計算實驗室翁紅明副研究員和戴希、方忠研究員通過廣泛的材料數據庫搜索并結合材料計算，成功預言了含有過渡金屬Zr和Hf的碲化物ZrTe₅和HfTe₅，確認它們的單層是大能隙的二維拓撲絕緣體。它們體態的直接能隙有0.4 eV，間接能隙有0.1eV，均高于室溫。其層間耦合強度跟石墨相似，因此可以通過簡單的機械剝離方法制備單層二維材料，適合大規模生產。他們的計算結果還表明，其拓撲特性在相當大范圍的晶格應變（壓縮10%到拉伸20%）下保持不變，可以適用于不同的襯底和應用環境。這些都表明ZrTe₅和HfTe₅的單層是理想的二維拓撲絕緣體材料。另外，由于是過渡金屬化合物，不同的金屬元素替代摻雜比較容易，提供了良好的拓撲物性調控手段。譬如，磁性摻雜可實現量子化反常霍爾效應等。

　　他們進一步計算表明，三維的ZrTe₅和HfTe₅處于三維強、弱拓撲絕緣體相變點附近，熱脹冷縮或是微小的壓力都可能導致強、弱拓撲絕緣態的轉變，并引起表面態的變化。因此在實驗上觀測到這樣的量子現象是非常有趣的。

　　相關研究得到國家自然科學基金委員會和科技部有關基金的支持。這一研究成果已發表在Phys. Rev. X4, 011002 (2014)上。

ZrTe₅和HfTe₅的三維層狀晶體結構及其單層。

ZrTe₅和HfTe₅的層間耦合跟石墨一樣弱，可用類似的簡單的機械剝離方法制備二維材料。

在較大的晶格應變下(-10%~20%)，ZrTe₅保持大能隙，且其拓撲性質也保持穩定。

三維ZrTe₅處于三維強、弱拓撲絕緣態的轉變點附近。