近日，北航物理學(xué)院表面物理與量子物質(zhì)研究團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)、南開大學(xué)等合作，在實(shí)現(xiàn)多重可控拓?fù)湎嘧冄芯糠矫嫒〉弥匾M(jìn)展，相關(guān)研究成果于1月30日以“Coalescence of multiple topological orders in quasi-one-dimensional bismuth halide chains”為題在線發(fā)表于《Nature Communications》上。物理學(xué)院博士生鐘景元、楊明為共同第一作者，杜軼教授、莊金呈副教授與南開大學(xué)胡振芃教授為共同通訊作者，其他合作者包括湘潭大學(xué)劉韻丹副教授、安徽大學(xué)程寧燕副教授、常熟理工大學(xué)周葦副教授、北航王建峰副教授、郝維昌教授、呂金虎教授等，北航為第一單位。

拓?fù)淞孔硬牧嫌捎谄漭d流子具有低耗散、強(qiáng)穩(wěn)定性、攜帶自旋信息等特征受到廣泛關(guān)注，同時(shí)這類材料能夠產(chǎn)生獨(dú)特拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)，這不僅對(duì)基礎(chǔ)研究具有重要意義，也為未來量子器件的實(shí)際應(yīng)用帶來了益處。理論上，這些奇特的量子相可以通過調(diào)控內(nèi)稟或外稟序參量來驅(qū)動(dòng)拓?fù)湎嘧儭Ｈ欢捎谕負(fù)洳牧暇哂蟹€(wěn)定性，不同拓?fù)湫蛑g往往難以相互轉(zhuǎn)換，更加難以實(shí)現(xiàn)多種拓?fù)湫蚬泊娴男缕娌牧象w系，使得拓?fù)淞孔硬牧系脑O(shè)計(jì)和應(yīng)用化面臨重大挑戰(zhàn)。

在此項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用角分辨光電子能譜、掃描隧道顯微鏡以及理論計(jì)算，研究了一種準(zhǔn)一維材料體系——Bi4X4（X=Br，I），通過調(diào)控鹵族元素Br和I的比例實(shí)現(xiàn)多重可控拓?fù)湎嘧儯M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了雙重拓?fù)湫蚬泊娴耐負(fù)淞孔硬牧稀Ｔ谠摬牧象w系中，Bi元素提供強(qiáng)自旋軌道耦合作用，導(dǎo)致其電子結(jié)構(gòu)具有雙點(diǎn)雙重能帶反轉(zhuǎn)（圖a-b），產(chǎn)生高階拓?fù)淞孔酉唷Ｒ源藶榛A(chǔ)，通過Br和I元素?fù)诫s能夠?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)的能帶交叉（圖c），導(dǎo)致高階拓?fù)浜蛷?qiáng)拓?fù)涞膹?fù)合拓?fù)鋺B(tài)誕生于Br：I摩爾比約2：8的Bi4X4晶體中。

本質(zhì)上，研究團(tuán)隊(duì)利用鹵族元素Br和I的電負(fù)性、原子半徑差異，通過引入不同比例的鹵族元素調(diào)控Bi4X4鏈間、層間的相互作用，最終實(shí)現(xiàn)了單層堆垛、雙層平行堆垛、雙層反平行堆垛、三層混合堆垛等多種堆垛模式。進(jìn)一步，由于Bi4X4單原子層是理想的量子自旋霍爾絕緣體，不同堆垛模式帶來了不同的層間耦合方式，以此實(shí)現(xiàn)了拓?fù)溥吔鐟B(tài)的不同種耦合方式，成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)三維高階拓?fù)浣^緣體、弱拓?fù)浣^緣體、狄拉克半金屬、強(qiáng)拓?fù)?高階拓?fù)涔泊嫦唷⑵接菇^緣體等多種拓?fù)潆娮討B(tài)，并構(gòu)建了它們之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系與整體拓?fù)湫蛳鄨D（圖d）。該材料體系中的豐富可控拓?fù)湎唷?fù)合拓?fù)湎嗖粌H對(duì)復(fù)雜拓?fù)潆娮討B(tài)的耦合關(guān)系提供了平臺(tái)，更為設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)多功能集成化的拓?fù)潆娮釉骷於藞?jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等的支持。