拓撲材料的研究徹底改變了我們對凝聚態(tài)物理的理解，導致了拓撲絕緣體和狄拉克-外爾半金屬等新物質(zhì)相的發(fā)現(xiàn)。蘇-施里弗-希格爾（SSH）模型是該領(lǐng)域的基礎模型之一，描述了一維（1D）拓撲絕緣體。該模型預測，在鏈的端點會存在拓撲束縛態(tài)。由于缺乏合適的平臺，這種現(xiàn)象在固態(tài)系統(tǒng)中一直難以觀察到。

SSH模型和拓撲螺旋鏈

SSH模型于1979年開發(fā)，最初用于描述導電聚合物。現(xiàn)在，它已成為描述交替原子鏈的一維模型，相鄰原子之間的躍遷振幅不同。該模型預測，當躍遷振幅足夠不同時，系統(tǒng)會經(jīng)歷拓撲相變，從而在鏈的末端形成拓撲保護的邊緣態(tài)。這些邊緣態(tài)的特點是其獨特的色散關(guān)系，位于體能譜的帶隙處。

拓撲螺旋鏈可以看作是SSH模型的一維擴展，其中鏈中的原子以螺旋形排列。這種螺旋排列將額外的幾何因素引入躍遷振幅，導致更復雜的能帶結(jié)構(gòu)。然而，在某些條件下，系統(tǒng)仍然可以表現(xiàn)出拓撲相并承載邊緣態(tài)。

實驗觀察

最近，研究人員提出，形成螺旋鏈結(jié)構(gòu)的元素碲可以作為SSH鏈的擴展版本。這一提議為探索一維系統(tǒng)中的拓撲相開辟了新途徑。碲的螺旋結(jié)構(gòu)為研究拓撲邊緣態(tài)的性質(zhì)提供了獨特的平臺。

利用具有微聚焦光束的自旋和角分辨光電子能譜（ARPES），研究人員觀察到自旋極化的禁帶態(tài)，這些態(tài)被限制在碲（0001）表面的邊緣。這些態(tài)歸因于來自一維SSH碲鏈陣列的相互作用束縛態(tài)。這一觀察結(jié)果提供了固態(tài)系統(tǒng)中拓撲邊緣態(tài)的直接證據(jù)，證實了SSH模型的理論預測。

理論見解

密度泛函理論（DFT）計算在理解這些邊緣態(tài)的性質(zhì)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。計算表明，觀察到的禁帶態(tài)確實是拓撲起源，源于碲的螺旋結(jié)構(gòu)。一維鏈中束縛態(tài)之間的相互作用導致了這些邊緣態(tài)的形成，這些態(tài)受系統(tǒng)拓撲保護。

意義和未來方向

在碲中觀察到的拓撲邊緣態(tài)對凝聚態(tài)物理領(lǐng)域具有重要意義。它提供了一個新的平臺，用于研究一維拓撲相及其獨特性質(zhì)。這些邊緣態(tài)表現(xiàn)出分數(shù)電荷，并具有在自旋電子學設備和拓撲晶體管中的應用潛力。此外，控制拓撲相的維度性開辟了設計具有定制電子和量子特性的材料的新可能性。

未來的研究可能會集中在探索其他可以承載類似拓撲邊緣態(tài)的材料，并研究其潛在應用。研究低維度（如一維和二維系統(tǒng)）中的拓撲相仍然是一個充滿活力的研究領(lǐng)域，存在許多未解的問題和令人興奮的機會。

結(jié)論

從拓撲螺旋鏈中觀察到的邊緣態(tài)代表了拓撲材料研究中的一個重要里程碑。它證實了SSH模型的理論預測，并提供了一個新的平臺，用于探索一維拓撲相。這些邊緣態(tài)的獨特性質(zhì)，如其魯棒性和在自旋電子學中的應用潛力，使其成為未來研究的一個有前途的領(lǐng)域。