1931年，狄拉克（Paul Dirac）基于电磁对偶性和量子力学指出，如果自然界中存在磁单极子，便可以从理论上解释电荷为什么以离散的基本单位出现，由此将磁单极子与电荷量子化这一基本问题联系起来。此后，磁单极子也成为粒子物理、量子场论以及大统一理论中的重要概念。若能够在实际体系中构造并操控类似磁单极子的响应，还有望为高密度信息存储和新型自旋电子学器件提供新的物理自由度。尽管基本粒子意义上的磁单极子迄今仍未被直接发现，凝聚态物理为研究类似的“磁荷”响应提供了另一条途径。拓扑磁电理论提出，在拓扑绝缘体与真空等拓扑平庸介质的界面施加有源电场，可诱导出“镜像磁单极子”状的磁响应，为在凝聚态体系中研究类磁单极子现象提供了新的途径。然而这种响应高度局域且难以直接探测，如何在实验中构造合适的有源电场，并寻找能够灵敏反映这一响应的谱学信号，成为验证这一理论预言的关键问题。

　　扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope, STM）为此提供了一种天然的实验平台：当针尖与样品之间施加的偏压超过针尖功函数后，STM进入场发射模式，电子从金属针尖尖端发射并穿过隧道结，在样品表面附近形成强且高度局域的有源电场。与此同时，场发射电子受到其在材料内部诱导的镜像电荷吸引势束缚，在样品表面形成一系列类里德堡态的镜像电荷态（image potential states, IPSs）。由于IPSs对局域电场和表面电子结构高度敏感，因此可作为探测有源电场诱导拓扑表面响应的灵敏谱学探针。

　　近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心陈岚研究员团队利用低温扫描隧道显微镜的场发射谱对高阶拓扑绝缘体Bi(111)表面的IPSs进行了系统研究。研究发现，与拓扑平庸表面相比，Bi(111)的IPS信号呈现出显著的反常劈裂特征。通过调控衬底介电性质和Bi(111)薄膜厚度，团队进一步发现该劈裂现象与径向的有源电场以及Bi(111)拓扑表面态的形成密切相关。基于上述实验结果并结合对量子阱态以及IPS-表面态杂化等常见竞争机制的排除，研究团队提出了一种可能的物理图像：径向有源电场与Bi(111)表面态耦合，可能产生与类磁单极子拓扑磁电响应相似的有效磁响应，从而解除IPS能级关于轨道量子数的简并产生反常劈裂，这一结果为拓扑绝缘体表面可能存在的等效“镜像磁单极子”响应提供了新的谱学依据。该研究表明，场发射条件下的IPS信号可以作为探测拓扑表面有源电场响应的灵敏实验平台，填补了高阶拓扑表面有源电场响应研究的空白，并为进一步探索拓扑表面态与外部电场耦合及其磁电响应提供了新的实验途径。

　　上述成果以“Potential for detecting a monopole-like topological magnetoelectric response using image potential states”为题发表于《国家科学评论》（National Science Review）。中国科学院物理研究所博士研究生战扬为论文第一作者，陈岚研究员和程鹏副研究员为共同通讯作者，物理所高鸿钧院士、北京理工大学王业亮教授、杭州师范大学钟建强教授参与了该项工作。相关研究工作获得了科技部国家重点研发计划（2024YFA1409100）、国家自然科学基金（T2325028、12134019）以及中国科学院基础研究领域青年团队计划（YSBR-054）等项目的支持。

　　论文链接： https://doi.org/10.1093/nsr/nwag548

图. 高阶拓扑绝缘体Bi(111)镜像电荷态劈裂的厚度依赖与针尖电场的空间分布依赖