2026年10月12日——数十年来，物理学家一直在寻找一种实用的二维拓扑绝缘体：一种内部阻挡电流、边缘却能导电的超薄材料。在普通导线中，电子会不断撞击缺陷并损失能量。但在二维拓扑绝缘体的边缘，自旋相反的电子沿相反方向运动，就像单向车道上的汽车一样，因此它们很少发生散射并损失能量。

如今，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员已经表明，碲化铋超薄膜就是这样的材料。这项发表在 ACS Nano 上的工作采用了一种新方法，制备出厚度均匀的碲化铋薄膜，并证实了关于该材料性质的理论预测。 

“严格从科学意义上说，我们是首个展示确凿光谱学证据、证明这确实是一种二维拓扑绝缘体的团队，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程助理教授、这项新研究的资深作者 Shuolong Yang 说。“过去人们制备这些薄膜时，它们都混杂着一层、两层、三层或四层，拓扑电子性质无法被分辨出来。”

从三维到二维

碲化铋长期以来一直被认为是一种三维拓扑绝缘体，只在表面导电。理论学家预测，如果把它削减到仅两个五重层——总厚度两纳米——它就会变成二维拓扑绝缘体。 

“当你从三维到二维时，所有物理原理突然都必须重新考虑，”Yang 说。

从原理上讲，这种有时被称为量子自旋霍尔系统的体系，几乎可以做到无损耗。

“如果我们使用这种量子自旋霍尔系统，理想情况下，我们就能实现具有量子化电导的导电边缘通道，从而无损耗地传输能量或信息，”论文第一作者、Yang 实验室前博士后研究员、现为韩国嘉泉大学教授的 Woojoo Lee 说。

但制备二维碲化铋已被证明十分困难。其电子性质会随厚度不同而发生显著变化，因此薄膜必须整体厚度一致，才能得出可靠结论。此前的尝试所制备的薄膜会堆积成厚度各异的微小金字塔。

为了获得更均匀的材料，Lee 和 Yang 使用了分子束外延技术。这种技术在真空中将原子逐层沉积到晶体表面。在生长了数百个样品并精细调整生长条件后，研究人员找到了一种方法，使薄膜以他们所称的“地毯模式”生长。在这种模式中，薄膜连续覆盖在底层晶体微小的原子台阶上。 

“这真的就像铺在楼梯上的一块地毯，”Yang 说。

此外，他们能够制备出横向尺寸达数毫米的薄膜——比早期研究产生的斑块宽数千倍——并且可以转移到其他表面。这种地毯模式通过原子级透射电子显微镜得到了实验验证，验证工作由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 Pinshane Huang 教授团队以及芝加哥大学 Chong Liu 副教授和 Shirley Meng 教授团队的合作者完成。

光谱学证据

在制备出这种薄膜后，团队随后采用三种不同技术来研究其性质。首先，他们使用角分辨光电子能谱来绘制其能带结构——即电子可具有的能量和动量。随着层数逐层增加，能带结构的变化与预测高度吻合。

“它与理论几乎完美吻合，”Yang 说。“当我们最初开始看到这些结果时，实在很难相信。”

其次，他们使用超快激光脉冲使材料的原子同步振动，并观察电子能量如何随之变化。所呈现的图样与拓扑态预期相符。最后，西北大学 Mark Hersam 教授实验室的合作者使用扫描隧道光谱研究了边缘态本身——同样指向这是一种二维拓扑材料。 

Yang、Lee 及其同事还表明，将顶层转化为锰铋碲化物会拓宽带隙——即材料边缘仍能导电的能量范围。团队表示，采用这种替代顶层后，该材料有可能在接近室温的条件下工作。

接下来，研究人员的目标是测量这些薄膜的电阻——这是对其拓扑性质的最终确认。 

“到目前为止，我们的研究属于光谱学，所以我们还没有进行电阻测量，但我们认为它应该存在——物理机制就在那里，”Yang 说。“这显然是下一个目标。”