近日，北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室杨金波课题组和吕劲课题组设计出新一代拓扑绝缘体，相关工作以“Quantum spin Hall and quantum valley Hall insulators of BiX/SbX (X = H, F, Cl, and Br) monolayer with a record bulk band gap”为题，在线发表于材料科学顶级期刊自然出版集团《NPG Asia Materials》 6: e147, 2014；doi:10.1038/am.2014.113上。

拓扑绝缘体因为存在奇异的导电的表面态，近些年来在科学界引起了极大的关注。二维的拓扑绝缘体在边缘可以表现出自旋量子霍尔效应，故又叫做量子自旋霍尔绝缘体，有望作为自旋电子器件材料。能隙是拓扑绝缘体的最重要的指标之一。拓扑绝缘体如果体能隙小，制备过程中带来的掺杂或者温度会使其体内产生载流子，从而对表面的金属态产生不受欢迎的干扰。寻找大体能隙材料，一直是拓扑绝缘体研究的一个重要努力方向。按体带隙可将拓扑绝缘分为不同的代：第一代以BixSb1-x为代表，体能隙大约0.1 eV，第二代以Bi2Se3为代表，体能隙约为0.3 eV。杨金波课题组和吕劲课题组通过第一性原理计算，预测六角蜂巢状的功能化的Bi和Sb单层(BiX/SbX, X = H, F, Cl, Br)是稳定的拓扑绝缘体， 其体能隙可超过1 eV， 为目前拓扑绝缘体的体能隙的最大值，有望成为第三代拓扑绝缘体。低能模型显示大的体能隙是由于Bi 的Px 和Py 在位型的自旋轨道耦合打开狄拉克锥而形成。这种材料还有谷自由度，存在强烈而新奇的谷赝自旋和自旋的耦合，在电场的调控下可以表现出谷选择的元二色性，即两个不同的谷分别吸收左旋和右旋的园偏振光。

量子自旋霍尔绝缘体BiX/SbX单层的结构(a)，能带（灰色和红色分别对应不考虑和考虑自旋轨道耦合的结果）（b）, 电场下倒空间的圆极化程度（反映K,K谷分别吸收左旋和右旋的园偏振光的程度）(c)，拓扑绝缘体按体能隙的代划分（d）。

上述论文的第一作者是北京大学物理学院博士生宋志刚。合作者有北京理工大学姚裕贵、刘铖铖。

上述研究工作得到了国家自然科学基金，国家重大研究计划，人工微结构和介观物理国家重点实验室以及量子物质科学协同创新中心的支持。