拓扑绝缘体是21世纪最令人兴奋的发现之一，它们可以简单地描述为在表面或边缘导电的材料，但在内部是绝缘的。它们的导电性能是基于自旋(量子力学特性)，这抑制了电子对材料或其他电子中杂质的正常散射，以及由此产生的热量损失。与超导体不同，拓扑绝缘体可以在室温下工作，这为我们当前的电子产品提供了被量子计算机和“自旋电子”设备取代的可能性，这些设备将更小、更快、更强大、更节能。拓扑绝缘子分为强绝缘子和弱绝缘子两类，强拓扑绝缘子(STI)的实验验证迅速跟随理论预测。
然而弱拓扑绝缘体(WTI)较难通过实验验证，因为拓扑状态出现在特定的侧表面，这在真实的三维晶体中通常无法检测到。表在《自然》(Nature)上的一项研究中，来自日本的一组研究人员利用同步加速器技术，为碘化铋晶体中的WTI状态提供了实验证据。准一维(一维)碘化铋晶体α-Bi4I4和β-Bi4I4结构非常相似，不同的只是在他们沿着c-axis堆积序列。这种结构上的微小差异导致了两相电阻率在绝对值和温度依赖性上的显著差异。
在室温下一阶转换发生两个晶体之间的阶段，与电阻α-phase形成样本时优先慢慢冷却。研究小组用激光angle-resolved光电发射光谱(arp)测量能量和动量高分辨率α-Bi4I4和β-Bi4I4的电子结构。在这些实验中，观察到来自(001)和(100)平面的ARPES信号的叠加，因为激光斑比暴露在劈裂表面上的每个平台和小面要大得多。在β-Bi4I4观察到Dirac-cone-like能量分散在费米能级附近，EF-anomalous琐碎α-Bi4I4状态没有探测到，并应该由于拓扑表面。在较高的光子能量下，ARPES证实了类似的准一维状态。
示意图为nARPES几何拓扑侧表面(β-Bi4I4的(100)面)。b)(100)平面费米能量处的ARPES强度图。c) arp带地图在Γ??点和Z轴(100)的飞机。d)拓扑暗表面(001)nARPES的示意图几何。e) arp带地图在Γ?(001)。图片：Diamond Light Source
对于所观察到的准一维狄拉克态，唯一可能解释是它来自WTI的拓扑侧曲面(100)。为了专门检测WTI表面，转向了表面选择性的ARPES技术。纳米ARPES (nARPES)是同步加速器技术的一个令人兴奋的发展，它结合了显微镜的高空间分辨率和ARPES技术的能量和动量分辨率。beamline I05的nARPES分支具有一个端站，该端站可以从非常小的点尺寸提供空间分辨率的ARPES。使用光子束聚焦的规模小于1μm，团队能够观察的(100)面没有任何污染。
WTI态
研究人员在角分辨测量之前，使用nARPES获得了一个微小劈理表面的微观强度图然后在侧表面（（100）平面）观察到准一维狄拉克拓扑表面状态，而顶表面（（001）平面）在拓扑上是暗的，没有拓扑表面状态，结果显示了在β-Bi4I4中实现的WTI状态，并且表明从β相到α相的晶体转变驱动了在室温下从非平凡WTI到正常绝缘体的拓扑相变。
确定WTI态可能具有几种不同的科学和技术含义，由于它被认为是量子自旋霍尔(QSH)绝缘体的三维模拟体，能够在三维晶体宽侧面上产生高方向性的自旋电流，这一发现将促进对奇异量子现象的进一步深入研究。在碘化铋中，可以通过选择拓扑或非拓扑晶体相来控制自旋电流的产生。因此，这项研究是向QSH绝缘子三维类似物的基础和技术研究迈出的一步，并可能最终导致新的电子和自旋电子技术。
