双拓扑绝缘体（dual Topological insulator, DTI）是拓扑绝缘体（TI）和拓扑晶体绝缘体（TCI）的合称，其拓扑能带结构同时受时间反演对称性保护和晶体对称性的保护。由于多个拓扑表面态的共存，双拓扑绝缘体可望具有更高自旋流-电荷流转换效率。
此外，人们通过打破一个反演对称性而保持另一个反演对称性，可为能带结构、自旋输运与光学性质的拓扑调控提供更多可能性。到目前为止，双拓扑绝缘体能带结构已经通过密度泛函理论计算、角分辨光电子发射光谱(ARPES)和扫描隧道谱得到了证实。然而，双拓扑态能带结构带来的量子输运与圆（线）偏振光阀效应的影响尚不清楚。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M04课题组成昭华研究员研究组一直致力于拓扑材料的自旋输运研究。在先期的工作中，他们通过拓扑材料能带调控将Bi2Se3体系的自旋流-电荷流转换效率 λ IEE 提高了一个量级（Nano Lett. 2019, 19, 4420-4426）；进一步实现了(Bi2Se3)N低维拓扑超晶格可控生长，并对其不同截止面进行了能带计算（DFT）和测量（ARPES）。能带结果发现Bi截止面具有Rashba型的Dirac表面态，且具有巨大的自旋动量劈裂；而 Bi2Se3 截止面具有拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体相共存的特性。
图1.(a),(b),(c) 双拓扑态的形成机理。(d) 双拓扑超晶格的费米面探测。(e)双拓扑超晶格的双拓扑态(TI态和TCI态)探测，从左至右为E-k关系、MDC曲线和二阶E-k图像。
通过室温自旋泵浦测量，发现Bi截止面超晶格的λIEE高达1.26nm，Bi2Se3截止面超晶格λIEE提升到0.19 nm，将纯Bi2Se3的λIEE（~0.035nm）提升了一个量级以上。通过自旋Hanle进动测量发现，在低维尺度下双拓扑保护使得Bi2Se3截止面的自旋寿命 τ s 高达1 ns，Bi截止面的自旋寿命 τ s 也可达0.4 ns。 该工作不仅预示着多重拓扑保护下长距离自旋输运的可能性（Advanced Materials 2020, 32 ,2005315）
最近他们与美国北卡罗莱纳州立大学孙达力副教授再次合作，系统研究了双拓扑超晶格 (Bi 2 Se 3 -Bi 2 ) N 的能带调控、输运、以及圆（线）偏振光阀效应(circularly and linearly polarized photo-galvanic effect，CPGE和LPGE)。他们通过超高真空分子束外延系统，制备出高质量双拓扑超晶格(Bi2Se3-Bi2)N。
图2 堆叠层数(N)调控的双拓扑态的能带
从ARPES的测量中可以清楚地看到拓扑绝缘体（TI）表面态 (狄拉克点位于Γ)和拓扑晶体绝缘体（TCI）表面态(狄拉克点位于镜面投影线Γ-M方向上)的共存。当堆叠层数N从1增加到13时，TCI的Dirac点从N=1时的-0.25 eV (TI为-0.8 eV)移动到N=13时的+0.1 eV (TI为-0.5 eV)，TCI狄拉克点逐渐接近费米能级，最终在N=7时越过费米能级。大约0.3eV的能带移动充分说明了堆叠层数对于电子结构调控的有效性。
图3.(a) 输运测量的测试构型。(b) 随温度变化的弱反局域效应(WAL) 。(c),(d) 随堆叠层数变化的WAL曲线和HLN拟合以及随N呈阶梯状变化的弱反局域系数。
磁导(MC)测量结果表明改低维双拓扑超晶格绝缘体存在电子-电子相互作用(EEI)和弱反局域效应(WAL)。当TCI的狄拉克点位于费米能级附近时，有更多的输运通道贡献WAL使得弱反局域系数α随堆叠层数呈现阶梯型变化，最大值接近1.5。
图4.(a)CPGE和LPGE的测量构型。(b)随偏振光极性变化的光电流以及拟合的LPGE和CPGE光电流。(c)随激光入射角变化的CPGE和LPGE。(d) CPGE和LPGE的产生机理。(f)随堆叠层数变化的CPGE和LPGE。
此外，通过低能光子激发的探测，堆叠层数(N)调控能带变化也导致了明显的N依赖的 CPGE和LPGE。CPGE起源于自旋劈裂能带之间的选择定则，其随N呈现的阶梯状变化可以由能带的变化来解释。当N较小或较大时，更少的电子态符合选择定制，因此光电流较小。而LPGE起源于能带间的不对称散射，而且随光的入射角度呈现奇函数这一特征更加证明了LPGE的非平庸性。在此体系中LPGE来源于TI和TCI电子态间的散射。
实验结果表明，在双拓扑超晶格中，表面态电子结构对量子输运和光激发具有高度可调性，这为研究非平庸的CPGE和LPGE提供一个良好的平台，将为自旋电子或光自旋电子学器件应用方面的双拓扑态的研究提供更多的参考。相关工作发表在Advanced Materials. 202208343（2023）。
博士生薛浩璞、博士后孙瑞为论文的共同第一作者，成昭华和孙达力为共同通讯作者。安徽大学葛炳辉教授等给予了高分辨电镜测量的支持。该项研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金会重点基金大力资助。
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