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　图1：单层Bi4Br4的结构示意图(中)，边缘态电子结构(左)，以及体能隙随单轴应力的变化(右)。

        
　 图2：三维Bi4Br4表面上的单层台阶结构示意图(右)，以及单层台阶上的拓扑边缘态电子结构(左)。

　　最近，北京理工大学姚裕贵教授指导周金健博士生、冯万祥博士、刘铖铖博士和管闪博士生在之前工作的基础上，通过第一性原理计算，研究并预言了单层Bi4Br4体系能够在室温下实现量子自旋霍尔效应。三维的Bi4Br4单晶是具有层状结构的半导体，层间耦合是弱的范德瓦尔斯作用，因而有可能通过机械剥离的办法制备出单层Bi4Br4。虽然三维的Bi4Br4是普通的半导体，但是它的单层结构却是量子自旋霍尔绝缘体，其体能隙约为180 meV,远高于室温条件(约26meV)。此外，如图1（中）所示，单层Bi4Br4的结构具有很强的各向异性，可以看成由无限长的一维链并排组成，链间的耦合相比链内耦合很弱。这种结构特性有利于形成原子级平整的边缘。局域在边缘上的拓扑边缘态具有单狄拉克点线性色散关系，是理想的无耗散导电通道，如图1（左）所示。该工作发表在Nano Lett. 14, 4767 (2014)。随后，姚裕贵研究组进一步研究发现，多层Bi4Br4体系中层间耦合对费米能级附近的低能电子结构影响很弱。特别地，当单层Bi4Br4放在单晶Bi4Br4表面时，单层体系的拓扑边缘态不会被破坏，如图2。这意味着，只需要在单晶Bi4Br4表面上通过纳米加工制备出单层的台阶结构，就可以得到一维无耗散导电通道，这表明该材料具有广阔的应用前景【arXiv:1409.0943】。以上工作得到了国家自然科学基金委和科技部的资助。

　　量子自旋霍尔绝缘体，也称为二维拓扑绝缘体，是一类体内绝缘，边缘导电的二维材料。它的边缘态是由体态拓扑性质导致的，由时间反演不变性保护，不会受到非磁杂质的背散射，因而在低能耗电子器件中有着巨大的应用潜力。量子自旋霍尔绝缘体中丰富的物理内涵和潜在的应用价值使得它在近些年的凝聚态物理和材料科学领域中掀起了研究的热潮。然而到目前为止，实验上仅在HgTe/CdTe和InAs/GaSb两个量子阱体系中观测到了量子自旋霍尔效应。且由于体能隙太小，它们只能在极低温条件下工作，并且制备复杂。因而寻找新型的能隙较大的量子自旋霍尔绝缘体材料对进一步的理论和实验研究，以及未来的器件应用都具有至关重要的意义。

　　随着石墨烯的出现，从范德瓦尔斯层状化合物中剥离出的二维单层结构引起了广泛的关注。这类只有单个或者几个原子层厚度的二维材料具有不同于其三维体系的一些新奇特性,如石墨烯中的线性色散电子结构，二硫化钼中的谷霍尔效应等等。近些年来，姚裕贵教授研究组及其合作者致力于研究这类新兴二维材料中的量子自旋霍尔效应。石墨烯是首个理论上预言的量子自旋霍尔绝缘体，姚裕贵教授的研究发现石墨烯中由自旋轨道耦合打开的能隙非常小(μeV量级)，因而无法在实验可达的温度范围内工作【Phys. Rev. B 75,041401(R) (2007)，引用266次】。随后姚裕贵教授研究组又研究了硅的单层六角蜂窝结构-硅烯，并预言了硅烯在18K温度下可以实现量子自旋霍尔效应【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，引用253次】。