物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的李绍春教授与陈延彬副教授合作，在表征二维拓扑绝缘体方面取得了重要进展，相关研究成果以《Experimental Observation of Topological Edge States at the Surface Step Edge of the Topological Insulator ZrTe₅》为题，于2016年04月28日在线发表在Physical Review Letters [PRL 116, 176803 (2016)]。南京大学物理学院博士生李向兵，已毕业硕士生黄文凯，和工学院博士生吕洋洋为论文的共同第一作者。李绍春教授和陈延彬副教授为论文的共同通讯作者。南京大学陈延峰教授和邢定钰院士指导了本文工作。邢定钰院士在论文的写作方面给予了大力的支持。其它单位的参与者包括清华大学的薛其坤院士和上海交通大学的贾金锋教授。

二维拓扑绝缘体由于具有量子自旋霍尔效应而最近备受学术界的关注。二维拓扑绝缘体的特点是，具有带隙的体能带结构和拓扑保护的一维边界态。在实验上寻找结构稳定的大能隙二维拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域的一个研究热点，致力于提高量子自旋霍尔效应的工作温度。近年来，很多研究工作都聚焦于ZrTe₅, 该材料很有可能是一种良好的二维拓扑绝缘体。然而ZrTe₅的三维体相的拓扑性质却存在极大的争议。理论计算表明体相ZrTe₅是弱拓扑绝缘体或者强拓扑绝缘体，而大量的实验结果显示ZrTe₅的体相具有半金属行为。在本工作中，我们首次利用高分辨的扫描隧道显微技术在实空间的原子尺度上精确表征了ZrTe₅的体态和边界态，并发现在表面台阶处具有一维的拓扑边界态，而体能带具有100 meV左右的带隙，从而证实了ZrTe₅是一种新的大带隙二维拓扑绝缘体。另外，我们还在实验上首次观察到了一维拓扑边界态在磁场下的响应。在外磁场作用下，能量简并的一维边界态发生了能量劈裂。这种边界态在能量上的劈裂与其体能带在磁场下的变化有密切的关系，并且与理论模型相吻合。

ZrTe₅材料具有高质量的单晶性和理想的一维表面台阶结构，为进一步研究基于二维拓扑绝缘体界面的奇异物理现象提供了良好的材料平台，比如探寻Majorana费米子或者反常量子霍尔效应等等。图一显示了ZrTe₅表面的台阶结构和原子分辨的形貌；图二显示了实验上测量得到的台阶处一维边界态和体带隙。

图一：(a) ZrTe5的晶体结构；(b) 4K下获得的ZrTe5表面的台阶形貌，面积为25x25 nm²；(c) ZrTe5表面的原子分辨形貌，面积为8x8 nm²；(d) 在ZrTe5表面获得的局域态密度信息显示100meV的能隙。

图二：(a) 在ZrTe₅表面台阶处测量的微分电导（局域态密度）；(b) 图(a)的快速傅立叶变换结果；(c) 边界态在不同能量位置的穿透深度；(d) 体相（黑色）和边界处（红色）的局域态密度比较；(e) 边界态沿着表面台阶分布的一维性质。

本工作的完成得益于南京大学在三个方面的完美合作，包括高质量单晶样品的制备（陈延彬、陈延峰），高分辨的低温扫描隧道显微术表征（李绍春）和理论模型的支持（盛利、邢定钰）。

工作得到国家科技部、自然科学基金委、青年、以及中央高校经费等项目的支持。