量子自旋霍尔绝缘体超晶格的构筑及其多能隙螺旋边缘态 | 进展

量子自旋霍尔绝缘体（quantum spin Hall insulator, QSHI）是一类具有非平庸拓扑性质的二维量子材料，其体态绝缘而边界存在受时间反演对称性保护的螺旋边缘态。由于不同自旋方向的电子沿相反方向传播，螺旋边缘态具有独特的自旋-动量锁定特征，可抑制单粒子背散射，是拓扑量子输运和新型低耗散电子器件的重要物理基础。对于实际器件而言，如何在保持螺旋边缘态拓扑性质的同时，在其能谱中形成可分辨的能隙，是实现边缘态能量选择和输运操控的重要基础。然而，传统量子自旋霍尔体系中的边缘态通常表现为金属性能谱特征，如何在边缘态中形成稳定的能隙结构并不破坏体系的拓扑性质，仍有待深入研究。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧研究员团队的郭辉副研究员等成功构筑了一种具有结构超晶格调制的量子自旋霍尔绝缘体，并发现了具有多能隙特征的螺旋边缘态。他们利用分子束外延技术，原子级精准制备了单层HfTe₅，并结合极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱（STM/S）、q-plus原子力显微镜（AFM）和理论计算，系统研究了其原子结构、边缘电子态及能隙形成机制。他们发现：1）首次实现单层HfTe₅的实验制备：原子分辨STM和AFM确认了单层HfTe₅的晶格结构，并发现其自发形成2×1条纹状结构重构；2）观测到具有多能隙特征的边缘电子态：STS测量显示，单层HfTe₅内部呈现明显的绝缘特征，而边缘存在显著增强的低能电子态，并且这些边缘态出现多个清晰的能隙特征，并伴随一系列尖锐的局域态密度峰；3）磁场依赖的测量发现，边缘态中的尖锐局域态密度峰出现明显的Zeeman劈裂，为其自旋响应及螺旋边缘态性质提供了重要证据；4）结合理论模型计算，揭示了这些边缘态能隙来源于尺寸受限条件下的边缘态耦合与结构超晶格诱导的周期性自旋轨道耦合调制的共同作用。

图. 单层量子自旋霍尔绝缘体HfTe₅的精准构筑及其多能隙螺旋边界态

该研究首次实现了单层量子自旋霍尔绝缘体HfTe₅的原子级精准制备，发现了具有多重能隙特征的螺旋边缘态，并揭示了有限尺寸效应与周期性自旋轨道耦合调制共同重塑边缘态能谱的物理机制。该工作深化了对原子结构重构与边缘电子态相互作用的认识，为进一步实现低维拓扑材料中的边缘态调控提供了新的研究基础。

相关成果以“Realization of Quantum Spin Hall Insulator Superlattice with Emergent Multigap-Like Helical Edge States”为题在线发表于《Advanced Materials》上。物理所郭辉副研究员、韩相和博士、富晓帅博士和江苏科技大学覃昉教授为共同第一作者；高鸿钧研究员、陈辉研究员、黄立副研究员和南方科技大学的卢海舟教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的支持。

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编辑：milksang