2 拓扑材料体系
量子霍尔效应被发现后，科学家们希望将拓扑物态的概念从有外加磁场的情形推广至零磁场并加以应用，主要目标是去掉外磁场和提高量子效应的实现温度。1988年，Haldane[4]在二维蜂窝状六角晶格模型中引入局域非零但平均为零的周期性磁通，理论提出无朗道能级的QH效应，即量子反常霍尔(quantum anomalous Hall，QAH)效应。该量子相的体态绝缘且具有非零陈数，也被称为陈绝缘体。由于缺少合适的实际材料体系，在后续20多年中，相关实验进展缓慢。2005年，受时间反演对称保护的拓扑绝缘体(topological insulator，TI)的概念提出后，人们陆续提出和发现了多类不依赖于磁场而实现QAH效应的拓扑材料。
2.1 拓扑绝缘体
在某些二维系统中，由于自旋—轨道耦合，可存在两套由时间反演相联系的、自旋相反、陈数符号相反的量子霍尔态，这会产生量子自旋霍尔(quantum spin Hall，QSH)效应(图2(b))。这种新的拓扑物态被称为二维拓扑绝缘体，其拓扑性质被时间反演对称性所保护[5，6]。实验上，在具有能带结构反转的HgTe/CdTe量子阱[7]、AlSb/InAs/GaSb/AlSb量子阱[8，9]结构以及单层WTe2[10]中都报道观测到QSH效应，输运测量得到量子化附近的纵向电阻平台(ρxx h/2e2)以及非定域输运等符合QSH效应预期的现象。人们也在寻找更高温度的QSH系统[11]。然而实验观测到的QSH平台量子化程度相比QH效应不够理想，也有人提出过对结果不同的解释[12]。最近理论指出，不理想的量子化平台可能是时间反演对称保护的拓扑相的固有问题[13]，即时间反演对称性并不真正能保护量子态不受环境的干扰。相比之下，QH(图2(a))和QAH(图2(c))是不需要时间反演对称保护的拓扑相，因此具有更好的量子化平台。
图2 量子霍尔(QH)效应(a)、量子自旋霍尔(QSH)效应(b)和量子反常霍尔(QAH)效应(c)模型图
2007年，时间反演对称保护拓扑绝缘体的概念从二维扩展到了三维[14，15]。Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3是后来研究最多的拓扑绝缘体材料体系[16，17]。然而Bi2Se3族拓扑绝缘体往往具有本征缺陷，载流子浓度高，迁移率低，一直未能观测到量子化输运行为。后来人们在(Bi, Sb)2Te3和BiSbTeSe2等材料中获得了更高的样品质量，实验观测到零阶朗道能级[18]和表面态贡献的半整数QH效应[19，20]，这为进一步探索新奇物理现象和基于拓扑绝缘体表面态的器件应用提供了基础。
