中国科学院半导体研究所常凯研究组提出利用表面极化电荷在传统常见半导体材料GaAs/Ge中实现拓扑绝缘体相。通过第一性原理计算和多带k.p理论成功地证明了GaAs/Ge极化电荷诱导的拓扑绝缘体相，这为拓扑绝缘体的器件应用又向前推进了一步。
拓扑绝缘体是目前凝聚态物理的前沿热点问题之一。它具有独特的电子结构，在体内能带存在能隙，表现出绝缘体的行为；表面或边界的能带是线性的无能隙的Dirac锥能谱，因而是金属态。这种量子物态展现出丰富而新奇的物性，如量子自旋霍尔效应、磁电耦合、量子反常霍尔效应等。由于这种新奇的物性源自自旋轨道耦合，因而目前所知的拓扑绝缘体都是含有重原子的窄能隙半导体体系，如HgTe,Bi2X3（X=Se,Sb,……)和Heusler合金等材料。这两个约束极大地限制拓扑绝缘体家族的扩展，而这些材料不够成熟的生长制备工艺则阻碍了拓扑绝缘体潜在的器件应用。
常凯研究组继前期首次打破窄能隙和重元素的限制，在常见的半导体材料GaN/InN/GaN中发现拓扑绝缘体相(Phys. Rev. Lett. 109, 186803(2012))后，首次理论上提出利用表面极化电荷在常见半导体材料GaAs/Ge系统中实现拓扑绝缘体相。GaAs/Ge系统与GaN/InN/GaN系统相比不同的地方是，GaAs材料和Ge材料晶格常数匹配，更易于材料的生长。另外GaAs/Ge是传统的半导体材料，制造工艺成熟，更利于拓扑绝缘体器件的集成。该工作对在常见半导体中探索新的拓扑相，及其开展介观输运的研究具有重要意义。
文章发表在Physcal Review Letters 111, 156402(2013)。这项工作得到了国家自然科学基金委、科学院和科技部的经费支持。
论文信息：Dong Zhang, WenKai Lou, M.-S. Miao, S. C. Zhang, and Kai Chang*, Interface-Induced Topological Insulator Transition in GaAs/Ge/GaAs Quantum Wells, Physcal Review Letters 111,156402(2013).
(关键字：镓 锗 半导体 拓扑)