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SSH模型与拓扑螺旋链：一维拓扑绝缘体的边缘态的首次验证

科学探索万象经验2024-09-03

拓扑材料的研究彻底改变了我们对凝聚态物理的理解，导致了拓扑绝缘体和狄拉克-外尔半金属等新物质相的发现。苏-施里弗-希格尔（SSH）模型是该领域的基础模型之一，描述了一维（1D）拓扑绝缘体。该模型预测，在链的端点会存在拓扑束缚态。由于缺乏合适的平台，这种现象在固态系统中一直难以观察到。

SSH模型于1979年开发，最初用于描述导电聚合物。现在，它已成为描述交替原子链的一维模型，相邻原子之间的跃迁振幅不同。该模型预测，当跃迁振幅足够不同时，系统会经历拓扑相变，从而在链的末端形成拓扑保护的边缘态。这些边缘态的特点是其独特的色散关系，位于体能谱的带隙处。

拓扑螺旋链可以看作是SSH模型的一维扩展，其中链中的原子以螺旋形排列。这种螺旋排列将额外的几何因素引入跃迁振幅，导致更复杂的能带结构。然而，在某些条件下，系统仍然可以表现出拓扑相并承载边缘态。

最近，研究人员提出，形成螺旋链结构的元素碲可以作为SSH链的扩展版本。这一提议为探索一维系统中的拓扑相开辟了新途径。碲的螺旋结构为研究拓扑边缘态的性质提供了独特的平台。

利用具有微聚焦光束的自旋和角分辨光电子能谱（ARPES），研究人员观察到自旋极化的禁带态，这些态被限制在碲（0001）表面的边缘。这些态归因于来自一维SSH碲链阵列的相互作用束缚态。这一观察结果提供了固态系统中拓扑边缘态的直接证据，证实了SSH模型的理论预测。

密度泛函理论（DFT）计算在理解这些边缘态的性质方面发挥了关键作用。计算表明，观察到的禁带态确实是拓扑起源，源于碲的螺旋结构。一维链中束缚态之间的相互作用导致了这些边缘态的形成，这些态受系统拓扑保护。

在碲中观察到的拓扑边缘态对凝聚态物理领域具有重要意义。它提供了一个新的平台，用于研究一维拓扑相及其独特性质。这些边缘态表现出分数电荷，并具有在自旋电子学设备和拓扑晶体管中的应用潜力。此外，控制拓扑相的维度性开辟了设计具有定制电子和量子特性的材料的新可能性。

未来的研究可能会集中在探索其他可以承载类似拓扑边缘态的材料，并研究其潜在应用。研究低维度（如一维和二维系统）中的拓扑相仍然是一个充满活力的研究领域，存在许多未解的问题和令人兴奋的机会。

从拓扑螺旋链中观察到的边缘态代表了拓扑材料研究中的一个重要里程碑。它证实了SSH模型的理论预测，并提供了一个新的平台，用于探索一维拓扑相。这些边缘态的独特性质，如其鲁棒性和在自旋电子学中的应用潜力，使其成为未来研究的一个有前途的领域。