拓扑绝缘体的发现极大地丰富了人们对新奇量子物质态的认知，这是由于在拓扑绝缘体的表面存在受到拓扑保护的表面态。其中，保持时间反演对称的量子自旋霍尔效应是典型的二维拓扑电子态。由于量子自旋霍尔绝缘体的边界存在两条自旋方向相反的边界态，其在量子计算以及自旋电子器件方面有广阔的应用前景。因此，寻找高工作温度的量子自旋霍尔绝缘体是人们非常关心的科学问题。在众多候选材料中，由重金属组成的具有强自旋轨道耦合的二维薄膜材料（例如铅烯）是理想的候选材料之一。
近日，张会生副教授、许小红教授与美国犹他大学的刘锋教授共同合作，提出在铅烯中利用轨道过滤效应实现高温量子自旋霍尔效应。首先，研究人员通过计算发现不论是平面的还是褶皱的铅烯都是拓扑平庸体系（图1）。这是由于铅烯在K点和Γ点处分别存在线性和抛物线性的能带，尽管两者都是拓扑非平庸的，但是两者共同作用却导致了铅烯的平庸拓扑特性。
图1.平面和褶皱铅烯的电子能带以及平庸拓扑特性
接着，研究人员提出将铅烯外延生长在与其晶格常数非常接近且绝缘的BaTe（111）衬底上（图2）。计算结果发现，利用该衬底终端的Te原子可过滤掉铅烯中一半铅原子（PbA）的pz轨道，而另外一半铅原子（PbB）仍保留pz轨道。电子能带计算表明，自旋轨道耦合作用会引起pz-px,y能带翻转，从而引起拓扑相变。研究人员进一步采用三带紧束缚模型证实了pz-px,y能带翻转的确可以实现拓扑相变。
图2. Pb/BaTe（111）的电子能带以及拓扑特性
基于同样的工作原理，当将Pb/BaTe（111）中铅烯另一半的铅原子（PbB）用氢原子或者卤族元素饱和后，可将拓扑能隙增大至0.6 eV，从而实现高温量子自旋霍尔效应（图3）。该研究工作提出的利用衬底过滤轨道方法实现高温量子自旋霍尔效应的物理机制同样适用于其它由重金属元素组成的二维材料。该研究结果为实验中实现基于铅烯的高温量子自旋霍尔效应以及其它新颖的拓扑量子态提供了新的思路。
图3. PbH/BaTe（111）的电子能带以及拓扑特性
该研究成果以题为“Selective Substrate-Orbital-Filtering Effect to Realize the Large-Gap Quantum Spin Hall Effect”发表在Nano Letters上（影响影子：11.2）。Nano Letters是美国化学会（ACS）旗下顶级学术期刊，是国际纳米材料领域公认的顶级期刊，在领域内具有权威影响力。山西师范大学张会生副教授为论文第一作者，山西师范大学许小红教授和美国犹他大学刘锋教授为共同通讯作者，山西师范大学为该论文的第一通讯单位。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。
全文连接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01765
