（通讯员 李颖）10月10日，《物理评论材料》（Physical Review Materials）在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心徐刚教授团队题为《大能隙拓扑绝缘体MTl₄Te₃(M=Cd，Hg)晶体结构稳定性和电子结构的研究》（Electronic structures and stability investigation of large band gap topological insulators MTl₄Te₃(M=Cd，Hg)）的论文。中心博士生李颖为论文第一作者，徐刚教授为论文通讯作者。

拓扑绝缘体作为全新的量子态，自从2005年被提出以来，由于其金属化的表面态和拓扑稳定性得到了广泛研究。尽管科研工作者利用对称性指标理论和拓扑量子化学对无机晶体结构数据库(ICSD)中所有的材料做了高通量的计算，并进一步地进行了拓扑分类研究，然而对大能隙拓扑绝缘体材料的探索一直停留在Bi₂Se₃阶段。因为很少有同时满足室温下稳定、大的体能隙和表面态干净等优良性质的拓扑绝缘体材料，所以有必要跳出ICSD数据库，利用第一性原理计算的方法寻找化学性质稳定、无毒、容易被实验合成的性质优良的拓扑绝缘体材料。

图中，（a）MTl₄Te₃的晶体结构示意图；（b）Cd-Tl-Te体系的凸包图；（c）CdTl₄Te₃关于化学势Cd、Tl₂Te₃和Tl的三元相图；（d）CdTl₄Te₃有自旋轨道耦合的能带；（e）CdTl₄Te₃在（100）表面的表面态；（f）能量为0.02eV自旋分辨的费米面，黄色的箭头表示费米面上电子态在(100)平面内的自旋指向。

该研究中，徐刚教授团队基于前人对拓扑超导材料Tl₅Te₃的研究，利用第一性原理计算设计了一种理想的拓扑绝缘体MTl₄Te₃(M=Cd，Hg)。通过对MTl₄Te₃的凸包图、三元相图和声子谱的研究表明，具有I4/mcm对称性的四方相MTl₄Te₃（图a）是热力学和动力学稳定的。化学势相图（图c）的研究表明CdTl₄Te₃容易在富Cd、富Tl₂Te₃和少Tl的化学环境下合成。进一步的电子结构计算表明，MTl₄Te₃是拓扑非平庸的，其拓扑性质来源于M的5s轨道和Te的5p轨道在Γ点之间的能带反转。在不考虑自旋轨道耦合的情况下MTl₄Te₃是节点线半金属。考虑自旋轨道耦合后的能带（图d），费米能级附近的能带在Γ-X路径上，打开了一个约为0.13eV的拓扑非平庸能隙，这个能隙的大小远高于室温的能量尺度。MTl₄Te₃的反带只发生的Γ点，因此整个k空间中只有一个Dirac锥形的表面态（图e）。拓扑表面态形成的费米面上的电子自旋是左手螺旋的（图f），贡献了一个π的几何相位。这些结果有力地说明MTl₄Te₃是一类新的实验上容易合成的性质优良的三维强拓扑绝缘体，这为室温自旋电子学器件的研究提供了一个新的平台。

该研究工作得到了国家重点研发项目和国家自然科学基金等的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.6.104201