超高压下半导体材料可变身拓扑绝缘体

一个由中国吉林大学、美国华盛顿卡内基研究所等单位研究人员组成的国际小组合作，通过对一种半导体施加压力，将其转变成了“拓扑绝缘体”（ti）。这是首次用压力逐渐“调节”一种材料，让它变成了拓扑绝缘状态，也为先进电子学应用领域寻找ti材料开辟了新途径。相关论文在线发表于《物理评论快报》上。

拓扑绝缘体内部绝缘而表面或边缘能导电，具有独特的电学性质。目前，研究人员能通过掺杂（加入少量其他元素）或“种植”（在基质上生长一个样本，基质是经过选择的，以引入结构系，样本在生长过程中会有轻微结构改变）的方法引发拓扑绝缘态，这两种方法都能改变电子行为，使一种材料表现得像ti材料，但它们还有其他问题。掺杂往往会带来缺陷，使材料性质不均一；基质诱导结构系产生的ti材料不能连续调节，也无法可控地研究材料是怎样从普通绝缘体转变为拓扑绝缘体的。

用压力避免了这些缺点。该实验在布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源（nsls）上进行，研究中所用的半导体是一种铋、碲和碘的化合物（bitei）。研究人员给一个bitei样本施加了10gpa（大致相当于10万倍大气压）的压力，并用nsls的x-射线衍射和红外光谱两种光束技术跟踪观察其内部结构和电子的变化。分析显示，bitei在压力范围2gpa到8gpa时变成了拓扑绝缘体。

“扩充拓扑绝缘材料家族非常困难。”论文第一作者、布鲁克海文实验室研究助理奚潇湘（音译）说，“实验表明，压力是引起拓扑绝缘相态的一种有效方式，这一技术对研究从普通材料到ti材料的相态转变也非常有用。”