自上世纪70岁月以来，科学家们就发觉过渡金属碲化物ZrTe5和HfTe5在电阻-温度弧线上展现出一个宽峰，并且在宽峰温度的高低，霍尔效响应热电势所测得的载流子产生变号。虽然很多协商组对这一离奇的输运性质做了协商，但其出处连续是一个悬而未决的题目。连年来，量子拓扑材料协商的鼓起致使发觉了一大量囊括拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属等具备非常电子结讲和性质的材料。但是，已证明的二维拓扑绝缘体（量子自旋霍尔绝缘体）极为少有，根底上仍是限定于须要繁杂制备工艺的人为材料如HgTe/CdTe和InAs/GaSb量子阱等。因而，寻觅并合成志向的大能隙二维拓扑绝缘体材料对于根本协商和高功能自旋电子学运用尤其主要。近来，理论谋划预言，单层的ZrTe5/HfTe5是大能隙的量子自旋霍尔材料，在体能隙中存在着受拓扑掩护的边沿态。块材ZrTe5/HfTe5或许处于强弱拓扑绝缘身形的畛域，跟着层间距的减小，ZrTe5/HfTe5有或许会由弱拓扑绝缘体转换成强拓扑绝缘体，并且温度引发的层间距减小有或许开辟这类拓扑相变。理论预言诱发了大量对于ZrTe5的实习协商，但对其拓扑实质仍然众说纷繁，没有定论。高分辩角分辩光电子能谱对ZrTe5电子机关的直接丈量，对明白其独特输运性质以及拓扑性质具备主要意义。

华夏科学院物理协商所/北京凝结态物理国度实习室（筹）周兴江协商组，与理化技巧协商所陈创天院士协商组及许祖彦院士协商组合营，在年研发胜利了国际首台基于真空紫外激光和航行光阴电子能量解析器的高分辩激光角分辩光电子能谱系统。该系统具备同时探测二维动量空间电子机关消息、高能量动量分辩、体效应加强和低非线性效应等长处(图1)。

图1.航行光阴电子能量解析型高分辩激光角分辩光电子能谱系统

该协商组的刘国东协商员及他的博士生张艳、王晨露、俞理副协商员、以及周兴江协商员的博士生梁爱基、黄建伟等人，行使以上基于航行光阴电子能量解析器的高分辩激光角分辩光电子能谱技巧，经过与方忠、戴希小组博士生聂思敏和翁红明协商员施行理论合营，与陈根富协商员及其博士生赵凌霄施行样本合营，系统地协商了ZrTe5的完备电子机关及其随温度的衍化情形。

图2：（a-c）ZrTe5中，ac面的晶格机关；ac面临应的布里渊区；解理后ac面的描摹；（d）ZrTe5的电阻温度弧线；（e-h）K下丈量的，ZrTe5的费米面及meV，meV，meV连接能处的等能面；（i-l）特点cut的能带机关，别离对应图（g）中的cut1-4。

实习获患了高原料的ZrTe5的费米面结讲和能带机关（图2）,发觉ZrTe5具备很大的费米速率（2-4eV?），并且展现出显然的各向异性。初次同时调查到导带和价带的能带机关，并协商了其随温度的蜕变（图3）。在高温下费米能穿梭价带，产生空穴型费米面；跟着温度的升高，能带向高连接能方位挪动，到K时，费米能正利益于导带和价带的宗旨；温度接续升高，费米能则穿梭导带，变成电子型费米面。这些事实讲解在ZrTe5中存在温度开辟的Lifshitz转换（图4）。并且该Lifshitz转换与ZrTe5的输运性耿直接对应，天然地声明了ZrTe5中涌现的电阻宽峰以及载流子类别在电阻峰值温度高低的转换。

图3：ZrTe5中能带随温度的改变。（a-b）ΓX，ΓY方位能带随温度的衍化；（c）不同温度下，过Γ点的能量散布弧线（EDC）；（d）下支能带（价带）的下边沿，上边沿，高低支能带宗旨谱重最小的场所三个量，随温度的改变；（e）下支能带的高低边沿差，上边沿与宗旨谱重最小场所之差两个量，随温度的改变；（f）不同温度下，价带和导带之间直接能隙的巨细。

图4：ZrTe5中温度开辟的lifshitz相变。（a-b）费米面及meV连接能处等能面随温度的改变；（c-f）不同温度下，费米面处及meV等能面处过Γ的动量散布弧线（MDC）；（g）费米面巨细随温度的改变；（h）费米面谱重随温度的改变；（i）meV等能面处MDC两个峰位之差随温度的改变；（j）ZrTe5晶格常数b随温度的改变。

别的，实习发觉价带与导带之间存在能隙。跟着温度的升高，能隙在连续减小，到丈量的最低温度仍然没相封闭（图3）。在表面有很多一维裂纹的样本中，察看到了准一维的能带结讲和费米面，极有或许对应于理论预言的单层ZrTe5中受拓扑掩护的边沿态（图5）。这些事实讲解，跟着温度升高层间距减小，ZrTe5有从弱拓扑绝缘体向强拓扑绝缘体转换的趋向。不过虽然在最低温2K下，导带与价带之间的带隙仍然存在，并且带隙中没有察看到对应强拓扑绝缘体表面态的狄拉克线性色散能带，讲解ZrTe5仍然处于弱拓扑绝缘体状况。

图5：（a）解理后，ZrTe5表面有一维裂纹样本的描摹；（b-c）费米面及50meV连接能处的等能面；（d）图（b）中cut1-4费米能处的MDC；（e）图（b）中对应cut1-4的能带机关。

这项处事初次察看到了ZrTe5中存在的温度开辟Lifshitz转换，管理了永久以来连续处于争辨状况的失常输运转为的出处。初次给出了二维ZrTe5边沿态的角分辩光电子能谱证明，清澈了块材ZrTe5的拓扑实质。本处事为鞭策量子自旋霍尔效应的进一步协商和理论运用，以及对拓扑相变的关连协商，供给了主要的消息。

这一协商事实颁发在近期的NatureCommunications上[Nat.Commun.8,()]。关连处事得到国度天然科学基金委（），科技部（CB,CB，CB921）和科学院先河B（XDB07020）项目等基金的赞助。

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