《美国科学院院刊》报道贾爽及合作者发现的一种由化学键断裂引起的拓扑相变
拓扑半金属中存在着拓扑电子，它们能产生许多新的物理现象，是当前凝聚态物理研究的热点。然而，半金属中的拓扑电子很容易受到外部环境或化学成分微小变化的影响，导致其偏离费米能级。这种脆弱的状态限制了许多材料在未来的潜在应用。
图一：在VAl3 中，V-Al间的化学键对其中的拓扑电子具有保护作用。该化学键的断裂导致一个拓扑相变。
近日，北京大学物理学院量子材料科学中心博士研究生刘艺苑、贾爽副教授与合作者发现狄拉克半金属VAl3中的拓扑电子可以不受较大的化学成分变化的影响。研究发现，当VAl3中大量的V原子被Ti取代时，其晶格常数发生了很大变化，然而电学性质保持不变，说明其中的狄拉克电子具有高度的鲁棒性。直到超过35%的V原子被取代后，这种狄拉克半金属才转变为拓扑平庸的金属。结合电学测量、晶体结构分析、能带结构计算和分子轨道分析，刘同学发现这一转变是由共价的V-Al键断裂控制的。换句话说，VAl3中的狄拉克电子受到了分子轨道为其“重心”的V-Al键的保护，因此具有鲁棒性。
图二：左图所示V1-xTixAl3在x=0.35时由n-型狄拉克半金属变为p-型拓扑平庸金属。右图所示这一化学键断裂导致的拓扑相变伴随着较大的晶体结构和形貌的变化
了解晶体结构与电子性质之间的关系对于设计新型量子材料至关重要。本篇文章提出了通过控制化学键操纵拓扑电子的有效方法，对于寻找新的拓扑材料有重要意义。
该项工作于2020年6月18日在线发表于学术期刊《美国科学院院刊》上（https://doi.org/10.1073/pnas.1917697117）。北京大学贾爽副教授是本文的通讯作者，博士生刘艺苑为第一作者。这一工作的主要合作者还包括美国路易斯安娜州立大学的谢伟微教授、中国台湾国立成功大学的张泰榕教授等人。该工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，中科院卓越创新中心，量子物质科学协同创新中心，北京量子研究院等支持。