2024年4月10日，我院赵巍胜教授团队联合美国普林斯顿大学、英国帝国理工学院、波兰科学院等团队在国际顶级学术期刊Nature在线发表题为《A hybrid topological quantum state in an elemental solid》的研究论文。我院微纳科学与技术研究中心特聘副研究员Zahir Muhammad为论文的共同第一作者。

物质拓扑态是一种由于整体拓扑效应所导致的全新电子态，结合了量子物理学和拓扑学。对拓扑物态研究是近十年来凝聚态物理领域内最为重要和快速发展的前沿热点之一，其影响力已从凝聚态物理研究辐射到整个物理学，乃至化学、材料学、信息学、生物学、电子技术、半导体技术、能源技术等广阔的领域。无论是从基础物理学的角度，还是从寻找下一代量子工程和纳米技术的潜在应用角度来看，物质新的拓扑学特性都是现代物理学中最炙手可热的研究方向。

在物质拓扑态研究中，拓扑和相互作用是理解量子物质中的基本概念。然而，由于缺乏用于实验研究的材料平台，在由几个拓扑序列合并而产生不同新相的方向鲜有研究。论文团队成员利用扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱并结合第一性原理计算，揭示了单质元素灰砷中存在“混合”拓扑态。通过独特的体-表面-边缘对应关系，发现灰砷具有强的高阶拓扑，并可以使“混合”拓扑态更稳定。通过理论模型，进一步证明了灰砷中无能隙边缘态的存在。

上述发现为设计新的拓扑电子传输通道铺平了道路，使新型量子计算设备成为可能，也可用于开发目前无法通过现有方案获得的新型拓扑材料和量子器件。该论文中的新发现将为量子技术在未来绿色应用等方向打开可行性的大门。

图1 在单层台阶边缘观察到拓扑边缘态

图2 灰砷在台阶边缘态中表现出的混合拓扑

普林斯顿大学M. S. Hossain, Yu-Xiao Jiang, Zi-Jia Cheng，帝国理工学院Frank Schindler, 波兰科学院Rajibul Islam为论文的其他共同第一作者, M. S. Hossain， M. Zahid Hasan以及Frank Schindler 为论文的共同通讯作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07203-8