与传统的基于对称性破缺的相变不同，拓扑量子相变（TQPTs）是一种由拓扑不变量表征的相变，而非由序参量描述。在外部参数（如应变、化学替代、电场和温度）的控制下，发生拓扑量子相变的材料体系的基态波函数会发生演化，通常伴随着其拓扑电子结构的变化。

       准一维材料铋基卤化物Bi₄X₄ (X = Br, I)由四个铋原子和四个卤族原子形成结构单元并延伸形成链状结构，其中Bi₄I₄由于其丰富的拓扑物态及其拓扑量子相变而受到广泛关注。Bi₄I₄在约300K温度下发生α-β结构相变，其低温α相被认为可能存在高阶拓扑绝缘体相；而高温β相则可能是弱拓扑绝缘体。然而，目前关于这两种结构的Bi₄I₄的拓扑性质仍存在一定争议，尤其缺乏对此两相间发生拓扑量子相变的直接证据。

图1：a-k. Bi₄I₄的 （100）表面态在拓扑相变前后的温度演化。上（下）方箭头表示温度上升（下降）。l. （100）表面态能隙随温度变化的热滞回线。

       之前，物理系杨乐仙课题组利用激光微区/自旋角分辨光电子能谱研究了Bi₄Br₄的拓扑电子结构和自旋结构，证实了其中的高阶拓扑绝缘体相 [Nature Communications 14:8089 (2023)]。近期，物理系杨乐仙课题组和合作者利用先进的微区角分辨光电子能谱，进一步深入研究了Bi₄I₄的电子结构。研究人员证实在α-Bi₄I₄（100）表面的和点观察到约40 meV和5 meV的能隙，为其高阶拓扑绝缘体相提供了进一步支持。实验还揭示了β-Bi₄I₄在（001）表面存在能隙，结合其（100）表面的狄拉克费米子型色散，证实了β-Bi₄I₄为弱拓扑绝缘体。这些结果与第一性原理计算高度吻合。此外，实验系统研究了（100）表面态随温度的演化行为，揭示了其能隙的热滞现象（图1），为Bi₄I₄由高阶拓扑绝缘体向弱拓扑绝缘体的拓扑量子相变提供了直接证据。

       以上研究成果以 “Topological phase transition in quasi-one-dimensional bismuth iodide Bi₄I₄”为题在线发表于npj Quantum Materials期刊上。文章的第一作者是物理系2021级博士生赵文轩，通讯作者是物理系杨乐仙副教授、牛津大学陈宇林教授、北京理工大学周金健副教授和北京航空航天大学杜轶教授，合作者还包括北京理工大学姚裕贵教授、黄元教授和韩俊峰教授、北京航空航天大学庄金呈副教授、上海科技大学柳仲楷副教授。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研经费的支持。

       文章链接：https://www.nature.com/articles/s41535-024-00711-w