物理学家发现在室温下，二维到一维的拓扑转变

　　拓扑绝缘体碘化铋(粉色和绿色箭头)表面的导电在材料冷却到80华氏度左右的临界温度时，从2D边(左)过渡到1D边(右)。作者:黄建伟/莱斯大学
　　莱斯大学的一个研究小组及其合作者在铋和碘的拓扑晶体中发现了室温下一维和二维导电态之间的转变。
　　研究人员发现，他们可以在华氏80度左右的过渡温度下，在低阶和高阶导电状态之间切换材料，即碘化铋(Bi4I4)的晶体链。这项研究由莱斯的物理学家进行，本周发表在美国物理学会杂志《物理评论X》上。德克萨斯大学达拉斯分校;加州大学伯克利分校;俄亥俄州立大学;和其他机构。
　　Bi4I4是一种拓扑绝缘体，这种材料在其表面或边缘导电，但内部不导电。在转变温度下，Bi4I4的晶格发生了微妙的变化。这种变化改变了材料的电子行为，研究表明这种变化，或＂相变＂，是一维和二维拓扑导电状态的边界。
　　高温二维状态的特点是围绕矩形晶体的四面导电。莱斯大学的物理学家易明、黄建伟和他们的合作者发现，当材料冷却到80度以下时，导电转变为一维边缘。
　　＂这是第一个证据，表明低温状态实际上是一个更高阶的拓扑绝缘体，其中导电发生在晶体铰链上，而不是表面，＂Yi说，他是物理学和天文学的助理教授，也是PRX研究的共同通信作者。＂想象一下，在高温状态下开始，材料周围有一个绝缘体和导电表面。一旦你经历了这种结构扭曲，传导就被限制在这些边相遇的一维铰链上。＂
　　莱斯大学物理学家(从左顺时针方向)张宜晨，王若汉，郭玉成，黄建伟，吴晗和易明是莱斯领导的团队的成员，他们发现了铋和碘拓扑晶体中室温下1D和2D导电态之间的转变。来源:杰夫·菲特洛/莱斯大学
　　在大多数材料中，相之间的差异——如固态冰或液态水——源于其组成部分的不同组织对称性。20世纪80年代，物理学家发现了具有相同对称性的物质相。这些最终被证明是由拓扑性质引起的，＂保护＂量子态对量子计算越来越有兴趣。
　　Yi说，由Bi4I4的相变所介导的电导的尺寸变化可能被用于设计一个通过改变温度来操作的电气开关。
　　易建联说:＂这种转变发生在室温下。＂＂这是一阶相变，这意味着变化发生得非常突然。晶格的微小移动会直接影响晶界上的导电。＂
　　黄是莱斯大学的博士后研究员，也是这项研究的主要作者。他说，世界各地的实验室都在竞相寻找拓扑材料并对其进行分类，而物理学家直到最近才开始将它们分类为亚科。
　　虽然Bi4I4的组合特性是独特的，但黄说，本周的发现可能有助于寻找类似的拓扑材料。
　　拓扑绝缘体碘化铋(Bi4I4)矩形晶体表面的导电用粉红色和绿色箭头表示。赖斯大学的物理学家发现传导转换从一个2 d表面晶体的四个方面(右上)1 d边的两侧(左上)由于微妙转变材料# 039;s晶格(底部,从右到左)当材料冷却到临界温度80华氏度左右。作者:黄建伟/莱斯大学
　　他说:＂我们的发现与最近对高阶拓扑绝缘体的理论预测一致，这超出了现有拓扑材料数据库的范围。＂
　　Yi的实验室和加州大学伯克利分校的合作通讯作者Robert Birgeneau使用了一种叫做角度分辨光电发射光谱(ARPES)的实验技术来绘制Bi4I4的电子带特征。
　　＂ARPES是研究拓扑材料的最佳探测器，因为它有一个非常独特的特征，可以告诉材料是否拓扑，＂她说。
　　为了区分一维和二维的传导状态，她的团队不得不＂观察不同的表面，这是非常困难的，＂Yi说。
　　易建联说，关键的贡献来自UT达拉斯大学的共同通讯作者张帆，他提供了理论指导和预测，以及吕冰，他的实验室合成了一厘米长，一毫米宽，数百微米厚的Bi4I4晶体。晶体的大小使得黄能够在材料的顶部和侧面进行关键的ARPES测量。