簡介
拓撲絕緣體是一種新的量子物質态，完全不同于傳統意義上的“金屬”和“絕緣體”。這種物質态的體電子态是有能隙的絕緣體，而其表面則是無能隙的金屬态。
這種無能隙的表面金屬态也完全不同于一般意義上的由于表面未飽和鍵或者是表面重構導緻的表面态，拓撲絕緣體的表面金屬态完全是由材料的體電子态的拓撲結構所決定，是由對稱性所決定的，與表面的具體結構無關。也正是因為該表面金屬态的出現是有對稱性所決定的，它的存在非常穩定，基本不受到雜質與無序的影響。
性質
其體電子态為絕緣态，但是在其表面卻有自旋相關的導電通道，這意味着拓撲絕緣體在自旋電子學有潛在的應用前景。另外，在一個超導體附近的拓撲絕緣體可以産生滿足非阿貝爾（非對易）統計的激子，馬拉約那費米子。由于非阿貝爾粒子的拓撲性質受對稱性保護，不會由于微小擾動而使量子态退相幹，從而導緻導緻計算錯誤，這使得拓撲絕緣體可以用于量子計算。
優點
拓撲絕緣體材料有着獨特的優點：首先，這類材料是純的化學相，非常穩定且容易合成；第二，這類材料表面态中隻有一個狄拉克點存在，是最簡單的強拓撲絕緣體，這種簡單性為理論模型的研究提供了很好的平台；第三，也是非常吸引人的一點，該材料的體能隙是非常大的，特别是Bi2Se3，大約是0.3電子伏（等價于3600K），遠遠超出室溫能量尺度，這也意味着有可能實現室溫低能耗的自旋電子器件。
這些重要特征保證了拓撲絕緣體将有可能在未來的電子技術發展中獲得重要的應用，有着巨大的應用潛力。尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學穩定性的強拓撲絕緣體材料，成為人們目前關注的重要焦點和難點。
研究
北京凝聚态物理國家實驗室（籌）張海軍博士、戴希研究員、方忠研究員所在的T03組在該研究方向上取得重要突破。他們與美國斯坦福大學的張守晟教授研究組深入合作，預言了一類新的強拓撲絕緣體材料系統（Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3）。他們從理論和計算上系統地探讨了這類材料成為強拓撲絕緣體的物理機制，給出了描述該狄拉克點的KP哈密頓量，并且計算了類APRES電子譜圖。
這類拓撲絕緣體材料有着獨特的優點：首先，這類材料是純的化學相，非常穩定且容易合成；第二，這類材料表面态中隻有一個狄拉克點存在，是最簡單的強拓撲絕緣體，這種簡單性為理論模型的研究提供了很好的平台；第三，也是非常吸引人的一點，該材料的體能隙是非常大的，特别是Bi2Se3，大約是0.3電子伏（等價于3600K），遠遠超出室溫能量尺度，這也意味着有可能實現室溫低能耗的自旋電子器件。本工作發表在英國的《自然—物理學》（Nature Physics 5438至442，2009）雜志上，得到了中國科學院、國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃和國際科技合作計劃的支持。
在理論預言發表的同時，相關的實驗工作也取得重要進展，證實了理論預言的正确性。其一，美國普林斯頓大學的MZHasan與RJCava教授在Bi2Se3中觀察到了表面态狄拉克點的存在《自然—物理學》（Nature Physics，5，398，2009）。其二，方忠、戴希研究組又與斯坦福大學的ZXShen教授研究組合作，利用ARPES觀察到了Bi2Te3材料中的表面單個狄拉克點《科學》（Science，2009，已接收）。
