自2006年起，以拓扑绝缘体为代表的凝聚态物理系统中的不寻常拓扑现象受到了科学界空前的关注。这些新型材料中怪异的物理特性，例如其独特的表面电子态和自旋极化流，为未来基于拓扑逻辑的量子计算提供了可能。从电子学结构上说，拓扑绝缘体最明显的特征是动量空间中价带和导带之间的“狄拉克锥”表面电子态。该电子态由自旋极化的表面电子组成，且在任一等能面上都呈闭合曲线形状。近日，一类更新颖的“拓扑半金属”进入研究人员的视野。这类材料的价带和导带在动量空间某些孤立的点互相接触，使材料整体导电（区别于拓扑“绝缘体”）。第一性原理计算指出，这种材料的表面电子态不再是“狄拉克锥”，甚至不形成闭合的曲线，而是一段起始于价带和导带的其中一个接触点，而终结于另一个接触点的“费米弧”。这样的费米弧表面电子态将使材料具有前所未见的新奇量子输运特性。“费米弧”的概念最早见于铜基高温超导体（有争议），而在不寻常拓扑体系中从未被实验观察到。

    我校物理系刘畅助理教授所在的研究小组于当地时间2014年12月18日于美国《科学》（Science）杂志在线发表研究文章，报道该研究组对拓扑半金属中费米弧表面电子态进行的国际上的首次实验测量。研究人员利用高分辨率的角分辨光电子能谱仪（ARPES）观察钠-铋化合物Na3Bi侧表面（100）的电子学结构，发现这种不寻常拓扑材料存在两个导带和价带的接触点（称为“体狄拉克点”）。最重要的是，这两个接触点由一对费米弧表面电子态所连接。自旋分辨的ARPES技术进一步指出，这一对费米弧都由自旋极化的电子组成，其中一个只含有自旋向上的电子，而另一个只含有自旋向下的电子。因此，这一实验实际上揭示了一种全新的二维电子气的存在方式——材料内部的自旋极化电子从一个“体狄拉克点”开始变成表面电子，经费米弧电子态“到达”另一个“体狄拉克点”，再“返回”材料内部（注：此为形象而非严谨的表述）。电子的这种存在方式此前从未被发现。

    本文实验由美国普林斯顿大学物理系Zahid Hasan教授研究小组主导，其博士研究生徐苏扬和我校物理系助理教授刘畅为本文的共同第一作者。

    论文链接：http://www.sciencemag.org/content/early/2014/12/17/science.1256742.abstract