在元素固体中发现混合拓扑量子态

拓扑与相互作用是现代量子物质理解中的基础概念。它们的结合产生了三个重要的研究方向：不同相互作用之间的竞争，如多重交织相中所见；相互作用与拓扑之间的相互影响，驱动了扭转层状材料和拓扑磁体中的现象；以及多重拓扑序的融合，以生成独特的新相。前两个例子已发展为重要的研究领域，而最后一个例子则大多未被触及，主要原因是缺乏用于实验研究的材料平台。在此，我们利用隧道显微镜、光电子能谱和理论分析，在简单的元素固体砷中揭示了一种“混合”且新颖的拓扑物质相。通过独特的体-表面-边缘对应关系，我们发现砷具有强拓扑与高阶拓扑的联合特征，稳定了一种混合拓扑相。动量空间能谱测量显示了拓扑表面态的迹象，而实空间显微镜测量则揭示了在各种形式的表面天然纳米结构上展现的、由拓扑诱导的台阶边缘导电通道的独特几何结构。利用理论模型，我们证明砷中无带隙台阶边缘态的存在依赖于非平庸的强 Z2 不变量和非平庸的高阶拓扑不变量的同时存在，为混合拓扑及其在单晶中的实现提供了实验证据。我们的发现凸显了探索不同种类能带拓扑相互作用，并在未来工程量子或纳米器件中利用相关拓扑导电通道的途径。