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、湘潭大学等合作，在实现调控狄拉克费米子特性研究方面取得重要进展，相关研究成果于2024年12月17日以“Mass Acquisition of Dirac Fermions in Bi₄I₄ by Spontaneous Symmetry Breaking”为题在线发表于《物理评论快报》上。物理学院博士生杨明、石志坚为共同第一作者，杜轶教授、庄金呈副教授与湘潭大学刘韵丹副教授为共同通讯作者，北航为第一单位。

拓扑绝缘体和拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体具有受拓扑保护的边界带，边界态上无质量的狄拉克费米子具有自旋织构，分别受到时间反转对称性和晶体对称性的保护。而有质量的狄拉克费米子对于产生新的拓扑量子现象和低能耗自旋电子学的应用很有价值，可通过引入扰动来破坏拓扑绝缘体中的时间反演对称性或拓扑晶体绝缘体中的晶体对称性获得。另一种赋予狄拉克费米子质量的方法是通过自发对称破缺，这类似于粒子物理学中的希格斯粒子的产生机制。而这样一种通过自发对称性破缺导致的有质量狄拉克费米子的方法尚未得到理论的验证。

在本项工作中，研究团队发现在Bi₄I₄这个材料中，随着温度的下降存在结构相变，进而导致对称性降低，即自发对称性破缺现象。这种自发对称性破缺会导致单层的量子自旋霍尔绝缘体中原本简并的拓扑边界态变为非简并状态（如图c所示）。把这些具有非简并边界态的量子自旋霍尔绝缘体按照具有层间反演中心的形式进行范德华堆垛形成三维材料，非简并的边界态会沿着面外方向交替排列排列（图g），由于层间耦合作用，非简并的边界态会在能带相交处耦合打开能隙，进而产生有质量的狄拉克费米子。

研究团队利用扫描隧道显微镜/谱从实验上探测到了非简并的拓扑边界态，并结合理论计算发现两个边界态狄拉克锥点位置存在一个十几个毫电子伏特的能量差异。利用激光角分辨光电子能谱，在动量空间上直观地观测到非简并的狄拉克能带，以及有自发对称性破缺和层间耦合作用导致狄拉克能带打开了能隙。通过与表面态的对比发现，我们的实验数据与理论计算结果高度一致，从实验上证实了由自发对称性破缺辅以层间耦合作用确实可以产生有质量的狄拉克费米子，促进了狄拉克费米子相关的器件应用。

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。

文章链接及信息：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.256601