北航新闻网2月9日电（通讯员 冯海凤）近日，北航物理学院表面物理与量子物质研究团队与清华大学、南开大学等合作，在实现多重可控拓扑相变研究方面取得重要进展，相关研究成果于1月30日以“Coalescence of multiple topological orders in quasi-one-dimensional bismuth halide chains”为题在线发表于《Nature Communications》上。物理学院博士生钟景元、杨明为共同第一作者，杜轶教授、庄金呈副教授与南开大学胡振芃教授为共同通讯作者，其他合作者包括湘潭大学刘韵丹副教授、安徽大学程宁燕副教授、常熟理工大学周苇副教授、北航王建峰副教授、郝维昌教授、吕金虎教授等，北航为第一单位。

拓扑量子材料由于其载流子具有低耗散、强稳定性、携带自旋信息等特征受到广泛关注，同时这类材料能够产生独特拓扑电子结构，这不仅对基础研究具有重要意义，也为未来量子器件的实际应用带来了益处。理论上，这些奇特的量子相可以通过调控内禀或外禀序参量来驱动拓扑相变。然而，由于拓扑材料具有稳定性，不同拓扑序之间往往难以相互转换，更加难以实现多种拓扑序共存的新奇材料体系，使得拓扑量子材料的设计和应用化面临重大挑战。

在此项工作中，研究团队利用角分辨光电子能谱、扫描隧道显微镜以及理论计算，研究了一种准一维材料体系——Bi4X4（X=Br，I），通过调控卤族元素Br和I的比例实现多重可控拓扑相变，进一步实现了双重拓扑序共存的拓扑量子材料。在该材料体系中，Bi元素提供强自旋轨道耦合作用，导致其电子结构具有双点双重能带反转（图a-b），产生高阶拓扑量子相。以此为基础，通过Br和I元素掺杂能够实现单点的能带交叉（图c），导致高阶拓扑和强拓扑的复合拓扑态诞生于Br：I摩尔比约2：8的Bi4X4晶体中。

本质上，研究团队利用卤族元素Br和I的电负性、原子半径差异，通过引入不同比例的卤族元素调控Bi4X4链间、层间的相互作用，最终实现了单层堆垛、双层平行堆垛、双层反平行堆垛、三层混合堆垛等多种堆垛模式。进一步，由于Bi4X4单原子层是理想的量子自旋霍尔绝缘体，不同堆垛模式带来了不同的层间耦合方式，以此实现了拓扑边界态的不同种耦合方式，成功设计并实现三维高阶拓扑绝缘体、弱拓扑绝缘体、狄拉克半金属、强拓扑+高阶拓扑共存相、平庸绝缘体等多种拓扑电子态，并构建了它们之间的转化关系与整体拓扑序相图（图d）。该材料体系中的丰富可控拓扑相、复合拓扑相不仅对复杂拓扑电子态的耦合关系提供了平台，更为设计、实现多功能集成化的拓扑电子元器件奠定了坚实基础。

该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金等的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56593-4

（审核：王菲）

编辑：贾爱平