自上世纪70年月以来，科学家们就发掘过渡金属碲化物ZrTe5和HfTe5在电阻-温度弧线上呈现出一个宽峰，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。即使很多研讨组对这一神奇的输运性质做了研讨，但其滥觞不断是一个悬而未决的题目。比年来，量子拓扑材料研讨的兴盛致使发掘了一大宗包含拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属等具备特别电子结媾和性质的材料。但是，已阐明的二维拓扑绝缘体（量子自旋霍尔绝缘体）极端稀疏，根底上照样控制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，寻求并合成幻想的大能隙二维拓扑绝缘体材料对于根本研讨和高本能自旋电子学运用尤其要害。近来，理论揣度预言，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爱护的边际态。块材ZrTe5/HfTe5大概处于强弱拓扑绝缘身形的边境，跟着层间距的减小，ZrTe5/HfTe5有大概会由弱拓扑绝缘体改变成强拓扑绝缘体，并且温度引发的层间距减小有大概向导这类拓扑相变。理论预言引发了大宗对于ZrTe5的测验研讨，但对其拓扑实质仍旧众说纷纷，没有定论。高分辩角分辩光电子能谱对ZrTe5电子布局的直接丈量，对领会其希奇输运性质以及拓扑性质具备要害意义。华夏科学院物理研讨所/北京凝集态物理国度测验室（筹）周兴江研讨组，与华夏科学院理化技能研讨所陈创天研讨组及许祖彦研讨组协做，在年研发胜利了国际首台基于真空紫外激光和航行工夫电子能量剖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布局音信、高能量动量分辩、体效应巩固和低非线性效应等益处(图1)。该研讨组研讨员刘国东及他的博士生张艳、王晨露、副研讨员俞理，以及研讨员周兴江的博士生梁爱基、黄建伟等人，哄骗以上基于航行工夫电子能量剖析器的高分辩激光角分辩光电子能谱技能，经过与方忠、戴希小组博士生聂思敏和研讨员翁红明举行理论协做，与研讨员陈根富及其博士生赵凌霄举行样本协做，系统地研讨了ZrTe5的完全电子布局及其随温度的演变景况。测验获患了高品质的ZrTe5的费米面结媾和能带布局（图2），发掘ZrTe5具备很大的费米速率（2-4eV?），并且呈现出显然的各向异性。初次同时察看到导带和价带的能带布局，并研讨了其随温度的演变（图3）。在高温下费米能穿梭价带，造成空穴型费米面；跟着温度的低落，能带向高贯串能方位挪动，到K时，费米能正长处于导带和价带的中心；温度赓续低落，费米能则穿梭导带，变成电子型费米面。这些成效讲明在ZrTe5中存在温度向导的Lifshitz改变（图4）。并且该Lifshitz改变与ZrTe5的输运性耿直接对应，果然地解说了ZrTe5中浮现的电阻宽峰以及载流子表率在电阻峰值温度高低的改变。另外，测验发掘价带与导带之间存在能隙。跟着温度的低落，能隙在不休减小，到丈量的最低温度仍旧没相闭塞（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媾和费米面，极有大概对应于理论预言的单层ZrTe5中受拓扑爱护的边际态（图5）。这些成效讲明，跟着温度低落层间距减小，ZrTe5有从弱拓扑绝缘体向强拓扑绝缘体改变的趋向。但是假使在最低温2K下，导带与价带之间的带隙仍旧存在，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，阐明ZrTe5仍旧处于弱拓扑绝缘体形态。这项办事初次察看到了ZrTe5中存在的温度向导Lifshitz改变，处分了久远以来不断处于商酌形态的失常输运转为的滥觞。初次给出了二维ZrTe5边际态的角分辩光电子能谱凭证，清澈了块材ZrTe5的拓扑实质。该办事为驱策量子自旋霍尔效应的进一步研讨和本质运用，以及对拓扑相变的相干研讨，供应了要害的音信。这一研讨成效颁发在近期的《果然-通信》上[Nat.Commun.8,()]。相干办事赢得国度果然科学基金委（）、科技部（CB,CB，CB）和中科院先河B（XDB）项目等基金的援助。

图1：航行工夫电子能量剖析型高分辩激光角分辩光电子能谱系统

图2：（a-c）ZrTe5中，ac面的晶格布局；ac面临应的布里渊区；解理后ac面的状貌；（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贯串能处的等能面；（i-l）特性cut的能带布局，离别对应图（g）中的cut1-4。

图3：ZrTe5中能带随温度的变动。（a-b）ΓX，ΓY方位能带随温度的演变；（c）不同温度下，过Γ点的能量散布弧线（EDC）；（d）下支能带（价带）的下边际，上边际，高低支能带中心谱重最小的地位三个量，随温度的变动；（e）下支能带的高低边际差，上边际与中心谱重最小地位之差两个量，随温度的变动；（f）不同温度下，价带和导带之间直接能隙的巨细。

图4：ZrTe5中温度向导的lifshitz相变。（a-b）费米面及meV贯串能处等能面随温度的变动；（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变动；（h）费米面谱重随温度的变动；（i）meV等能面处MDC两个峰位之差随温度的变动；（j）ZrTe5晶格常数b随温度的变动。

图5：（a）解理后，ZrTe5表面有一维裂纹样本的状貌；（b-c）费米面及50meV贯串能处的等能面；（d）图（b）中cut1-4费米能处的MDC；（e）图（b）中对应cut1-4的能带布局。

根源：华夏科学院物理研讨所