上海微系統所在準一維拓撲材料的電子結構研究中獲進展

　　維度的降低會顯著影響材料的物理化學性質，同時也將引起一系列新奇的量子現象，例如二維材料石墨烯中發現的線性色散。維度對于拓撲材料則更為重要：拓撲材料具有受對稱性保護的邊緣態，從而使得由缺陷或雜質引起的電子背散射被禁止；進一步將拓撲材料的維度降低到一維則會顯著增強電子的各向異性，使邊緣態中自旋極化的電子被限制于一維導電通道，從而最大限度地避免散射的發生以達到更高的遷移率、更長的自旋弛豫時間。因此，尋找性質穩定的準一維拓撲材料并研究其電子結構，對開發新一代超低功耗的自旋電子學器件具有指導意義。

　　近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員葉茂、喬山團隊與日本東京大學教授Takeshi Kondo合作，成功制備了一種準一維拓撲材料TaNiTe5，并利用上海微系統所牽頭建設的“基于上海光源的原位電子結構綜合研究平臺”的高精度微聚焦角分辨光電子能譜線站（上海光源BL03U）首次直接觀測到了該材料中強弱拓撲序共存的獨特電子結構。相關研究成果以Coexistence of Strong and Weak Topological Orders in a Quasi-One-Dimensional Material為題發表于Physical Review Letters。

　　該研究中，研究人員通過第一性原理計算發現TaNiTe5在倒空間中的Γ-Y方向和Γ-Σ方向分別存在兩處能帶反轉。其中，前者對應的拓撲表面電子態同時在(001)和(010)面上被清晰地觀測到，其自旋動量鎖定的能帶自旋結構也與理論計算結果完美吻合，從而證明了強拓撲序的存在；后者對應的拓撲表面態僅出現在(001)面上，且等能面上呈獨特的節點弧狀，研究結合拓撲不變量的計算證明了這是弱拓撲序的表現。值得一提的是，Γ-Σ對應于實空間中準一維原子鏈的方向，因此節點弧型弱拓撲態的發現從微觀電子結構層面揭示了TaNiTe5中強各向異性的輸運性質的拓撲起源。該工作系統地揭示了TaNiTe5材料中“雙拓撲”共存的獨特拓撲性質，展示了其在拓撲調控方面的潛力，為設計新型自旋電子學器件提供了平臺。

　　相關研究工作得到科學技術部國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。