簡介
拓撲絕緣體研究獲進展拓撲絕緣體是一種新的量子物質態，完全不同於傳統意義上的“金屬”和“絕緣體”。這種物質態的體電子態是有能隙的絕緣體，而其表面則是無能隙的金屬態。這種無能隙的表面金屬態也完全不同於一般意義上的由於表面未飽和鍵或者是表面重構導致的表面態，拓撲絕緣體的表面金屬態完全是由材料的體電子態的拓撲結構所決定，是由對稱性所決定的，與表面的具體結構無關。也正是因為該表面金屬態的出現是有對稱性所決定的，它的存在非常穩定，基本不受到雜質與無序的影響。
性質
其體電子態為絕緣態，但是在其表面卻有自鏇相關的導電通道，這意味著拓撲絕緣體在自鏇電子學有潛在的套用前景。另外，在一個超導體附近的拓撲絕緣體可以產生滿足非阿貝爾（非對易）統計的激子，馬拉約那費米子。由於非阿貝爾粒子的拓撲性質受對稱性保護，不會由於微小擾動而使量子態退相干，從而導致導致計算錯誤，這使得拓撲絕緣體可以用於量子計算。
優點
拓撲絕緣體材料有著獨特的優點：首先，這類材料是純的化學相，非常穩定且容易合成；第二，這類材料表面態中只有一個狄拉克點存在，是最簡單的強拓撲絕緣體，這種簡單性為理論模型的研究提供了很好的平台；第三，也是非常吸引人的一點，該材料的體能隙是非常大的，特別是Bi2Se3，大約是0.3電子伏（等價於3600K），遠遠超出室溫能量尺度，這也意味著有可能實現室溫低能耗的自鏇電子器件。
這些重要特徵保證了拓撲絕緣體將有可能在未來的電子技術發展中獲得重要的套用，有著巨大的套用潛力。尋找具有足夠大的體能隙並且具有化學穩定性的強拓撲絕緣體材料，成為人們目前關注的重要焦點和難點。
研究
拓撲絕緣體北京凝聚態物理國家實驗室（籌）張海軍博士、戴希研究員、方忠研究員所在的T03組在該研究方向上取得重要突破。他們與美國史丹福大學的張守晟教授研究組深入合作，預言了一類新的強拓撲絕緣體材料系統（Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3）。他們從理論和計算上系統地探討了這類材料成為強拓撲絕緣體的物理機制，給出了描述該狄拉克點的KP哈密頓量，並且計算了類APRES電子譜圖。
這類拓撲絕緣體材料有著獨特的優點：首先，這類材料是純的化學相，非常穩定且容易合成；第二，這類材料表面態中只有一個狄拉克點存在，是最簡單的強拓撲絕緣體，這種簡單性為理論模型的研究提供了很好的平台；第三，也是非常吸引人的一點，該材料的體能隙是非常大的，特別是Bi2Se3，大約是0.3電子伏（等價於3600K），遠遠超出室溫能量尺度，這也意味著有可能實現室溫低能耗的自鏇電子器件。本工作發表在英國的《自然—物理學》（NaturePhysics5438至442，2009）雜誌上，得到了中國科學院、國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計畫和國際科技合作計畫的支持。
在理論預言發表的同時，相關的實驗工作也取得重要進展，證實了理論預言的正確性。其一，美國普林斯頓大學的MZHasan與RJCava教授在Bi2Se3中觀察到了表面態狄拉克點的存在《自然—物理學》（NaturePhysics，5，398，2009）。其二，方忠、戴希研究組又與史丹福大學的ZXShen教授研究組合作，利用ARPES觀察到了Bi2Te3材料中的表面單個狄拉克點《科學》（Science，2009，已接收）。
