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籠目材料是研究拓撲量子態(tài)的重要體系，但多數(shù)籠目結(jié)構(gòu)的理想拓撲性質(zhì)易被體金屬性掩蓋，難以辨識與調(diào)控。近年來提出的二維、三維堆疊蜂窩—籠目結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)理想拓撲態(tài)提供了新的材料平臺，但已有研究主要基于無自旋近似，對于自旋軌道耦合如何驅(qū)動其中的拓撲相變及表面態(tài)演化缺乏認(rèn)識。近日，中國科學(xué)院理論物理研究所團隊以IAMX（IA為堿金屬元素，M為稀土元素，X為碳族元素）家族材料為對象，研究其拓撲性質(zhì)，提出有效模型，揭示自旋軌道耦合（SOC）在三維堆疊蜂窩—籠目材料中可作為連續(xù)調(diào)控拓撲物態(tài)的關(guān)鍵自由度。在無SOC極限下，IAMX家族可表現(xiàn)為節(jié)線半金屬；隨著SOC增強，體系可依次經(jīng)歷從節(jié)線半金屬到強拓撲絕緣體，再到臨界無隙態(tài)，最終進入外爾半金屬的拓撲相變過程，從而形成全局拓撲相圖。同時，材料的表面態(tài)也隨之發(fā)生連續(xù)演化。在SOC的二階微擾恒定或影響較小時，體系從無SOC時的鼓膜表面態(tài)，發(fā)展為外爾半金屬相中的費米弧與螺旋表面態(tài)，在強SOC下并合成單一表面狄拉克錐，展現(xiàn)出體拓撲與表面電子結(jié)構(gòu)之間清晰而統(tǒng)一的對應(yīng)關(guān)系。為驗證該模型的正確性，研究結(jié)合第一性原理計算與緊束縛模型，分析3種具有不同SOC強度的代表性材料，包括軌道成分，拓撲數(shù)計算等。研究發(fā)現(xiàn)，它們對應(yīng)弱、中、強SOC區(qū)間下的不同拓撲相，分別落在統(tǒng)一相圖中的不同區(qū)域，與模型預(yù)測嚴(yán)格一致，表明IAMX家族為研究SOC驅(qū)動拓撲相變及表面態(tài)重構(gòu)提供了理想的材料平臺。該工作為理解籠目材料中SOC驅(qū)動的拓撲相變提供了統(tǒng)一圖像，也為通過化學(xué)摻雜、元素替換或同位素調(diào)控實現(xiàn)拓撲相工程提供了新思路。這加深了對堆疊蜂窩—籠目體系拓撲電子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，也為設(shè)計具有可調(diào)表面態(tài)和多重拓撲功能的量子器件奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果作為編輯推薦文章，發(fā)表在《物理評論B》（Physical Review B）上。論文鏈接