“拓扑”是数学中的一个概念，用于描述不随连续形变而改变的整体几何属性。近年来被广泛应用于物理研究领域，导致许多新量子态和新奇量子现象的出现，例如整数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导等等，并迅速成为物理研究领域的重要和基础的研究方向，在很大程度上代表了当前物理学研究的趋势。“拓扑”最大的特点就是其“鲁棒性”，也就是极强的稳定性和抗干扰能力，这些基本特性决定了该研究领域的巨大应用前景和实用价值。
许多拓扑量子物态的关键特征就是拓扑非平庸的能带结构，ARPES是唯一定量测量材料电子能带结构的实验手段，在判定非平庸拓扑性质和拓扑物性研究中发挥了巨大的作用。EX7组与理论计算和材料制备团队密切合作，通过ARPES测量候选材料的电子结构，接连实验发现了多个重要的拓扑物态，包括外尔半金属【Phys. Rev. X 5, 031013 (2015)、Nat. Phys. 11, 724 (2015)、Phys. Rev. Lett. 115, 217601 (2015)】、三重简并点半金属【Nature 546, 627 (2017)、Nat. Phys. 14, 349 (2018)】、新型外尔半金属【Nature 567, 496 (2019)、Nat. Commun. 10, 5505 (2019)】以及新型拓扑晶体绝缘体【Sci. Adv. 3, e1602415 (2017)、Nat. Commun. 12, 2052 (2021)】。此外，还确认了多个重要的拓扑半金属和拓扑绝缘体，包括拓扑节线半金属ZrSiS【Sci. Adv. 5, eaau6459 (2019)】、本征磁性拓扑绝缘体EuSn2As2和MnBi2nTe3n+1【Phys. Rev. X 9, 041039 (2019)】、磁性拓扑半金属EuB6【Phys. Rev. X 11, 021016 (2021)】、大能隙拓扑绝缘体ZrTe5【Phys. Rev. X 6, 021017 (2016)】、超大磁阻补偿半金属LaSb【Phys. Rev. Lett. 117, 127204 (2016)】、单质拓扑绝缘体As【Phys. Rev. Lett. 118, 046802 (2017)】、自旋涨落诱导外尔半金属EuCd2As2【Sci. Adv. 5, eaaw4718 (2019)】等。
拓扑超导是一类重要的拓扑量子物态，其中存在拓扑非平庸的准粒子激发—“马约拉纳零能模”。寻找并调控马约拉纳零能模不仅是物理学研究的前沿科学问题，也是实现拓扑量子计算的关键。STM能够直接观测拓扑超导体磁通涡旋中的马约拉纳零能模，是研究拓扑超导的重要实验手段。EX7组与物理所等单位的理论和STM实验团队合作，提出铁基超导体具有非平庸拓扑性质【Phys. Rev. B 92, 115119 (2015)】，通过ARPES实验观测到拓扑表面态【Science 360, 182 (2018)】，并利用STM在磁通涡旋中观测到马约拉纳零能模【Science 362, 333 (2018)】，随后观测到能级的半整数位移【Nat. Phys. 15, 1181 (2019)】和近量子化电导平台特征【Science 367, 189 (2020)】，证实了其拓扑非平庸的本质。此后又结合ARPES和STM确认了CaKFe4As4具有拓扑非平庸的表面态，并发现了磁通涡旋中的马约拉纳零能模【Nat. Commun. 11, 5688 (2020)】。在LiFeAs中观测到杂质辅助涡旋产生的Majorana零能模【Nat. Commun. 12, 4146 (2021)】，并发现两种褶皱上形成不同大小的超导能隙，说明应力对能带结构的改变会极大地影响LiFeAs中的非常规超导性质【Nat. Commun. 12, 6312 (2021)】。
随着近期组内多套先进的ARPES、STM和薄膜设备陆续搭建完成并投入使用，课题组的实验能力得到了大幅提升，可以对拓扑物态开展更加广泛、深入和系统的研究。
1.拓扑材料电子结构全面表征：此前对拓扑材料电子结构的研究主要依托课题组牵头建设的上海同步辐射光源“梦之线”，同步辐射光源ARPES适合对材料占据态、平衡态电子结构进行大范围测量。在此基础上，进一步结合组内的泵浦-探测激光ARPES和极紫外激光ARPES的优势，对拓扑材料的体态和表面态、占据态和未占据态以及平衡态和非平衡态的电子结构开展系统全面的高精度表征，提供非平庸拓扑性质的判定性实验证据，探索更多新奇的拓扑量子态和性能优异的拓扑材料。
2.实空间和动量空间电子结构联合表征：ARPES和STM是公认的对材料表面电子结构研究最重要的两种实验手段，ARPES测量动量空间布里渊区的电子能带结构，而STM测量实空间局域电子态密度的分布。结合ARPES和STM实验测量，能够更加全面地获取表面电子态的信息，例如对于拓扑超导体，分别测量拓扑表面态的能带结构和磁通涡旋中的马约拉纳零能模。此外，结合空间分辨ARPES，测量一维边缘态的电子能带结构和局域态密度，探索二维拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体。
3.3.原位薄膜生长和电子结构表征：ARPES和STM实验要求在超高真空环境中处理出原子级平整的样品表面，而大多数拓扑材料具有三维的晶体结构，对于单晶材料很难通过超高真空解理的方式获得新鲜平整的表面。联合OMBE、LMBE和MBE等多种薄膜生长技术，通过外延生长的方法制备出原子级平整的新鲜表面，再利用互连管道或者转移腔将样品在超高真空环境中传送到ARPES和STM设备中表征其电子结构。与单晶块材相比，外延薄膜还具有衬底应力和厚度依赖等特点，对于拓扑量子物态的调控有独特的优势。
4.原位调控和表征拓扑电子结构：结合压力、磁场、电场、光场、维度等调控手段可以从更多的角度来理解物理机制，还可能诱导出新的物理现象。将外场调控与ARPES和STM实验测量相结合，原位调控和表征拓扑材料的电子结构，为拓扑物性的研究和调控提供参考和指引。1）在面内或单轴方向施加应力，改变材料的晶格常数和晶体对称性，进而调控拓扑能带结构并诱发拓扑相变；2）对机械剥离的二维拓扑材料施加栅极电压，精准改变载流子浓度以及电场驱动能带反转，调控拓扑电子结构以及拓扑物性；3）通过超快脉冲激光驱动拓扑相变，产生在平衡状态下无法达到的亚稳态甚至稳态，发现新奇的拓扑物态并给出对应的电子结构特征；4）在STM实验中外加磁场，通过Zeeman效应产生能带自旋劈裂，或者破缺时间反演对称性，从而诱导磁性拓扑相变。5）机械剥离或外延生长制备不同层数的拓扑材料，表征电子结构随层数的演化，研究维度引起的拓扑相变，如三维磁性外尔半金属到二维量子反常霍尔效应的转变。