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籠目材料是研究拓撲量子態的重要體系，但多數籠目結構的理想拓撲性質易被體金屬性掩蓋，難以辨識與調控。近年來提出的二維、三維堆疊蜂窩—籠目結構，為實現理想拓撲態提供了新的材料平臺，但已有研究主要基于無自旋近似，對于自旋軌道耦合如何驅動其中的拓撲相變及表面態演化缺乏認識。近日，中國科學院理論物理研究所團隊以IAMX（IA為堿金屬元素，M為稀土元素，X為碳族元素）家族材料為對象，研究其拓撲性質，提出有效模型，揭示自旋軌道耦合（SOC）在三維堆疊蜂窩—籠目材料中可作為連續調控拓撲物態的關鍵自由度。在無SOC極限下，IAMX家族可表現為節線半金屬；隨著SOC增強，體系可依次經歷從節線半金屬到強拓撲絕緣體，再到臨界無隙態，最終進入外爾半金屬的拓撲相變過程，從而形成全局拓撲相圖。同時，材料的表面態也隨之發生連續演化。在SOC的二階微擾恒定或影響較小時，體系從無SOC時的鼓膜表面態，發展為外爾半金屬相中的費米弧與螺旋表面態，在強SOC下并合成單一表面狄拉克錐，展現出體拓撲與表面電子結構之間清晰而統一的對應關系。為驗證該模型的正確性，研究結合第一性原理計算與緊束縛模型，分析3種具有不同SOC強度的代表性材料，包括軌道成分，拓撲數計算等。研究發現，它們對應弱、中、強SOC區間下的不同拓撲相，分別落在統一相圖中的不同區域，與模型預測嚴格一致，表明IAMX家族為研究SOC驅動拓撲相變及表面態重構提供了理想的材料平臺。該工作為理解籠目材料中SOC驅動的拓撲相變提供了統一圖像，也為通過化學摻雜、元素替換或同位素調控實現拓撲相工程提供了新思路。這加深了對堆疊蜂窩—籠目體系拓撲電子結構的認識，也為設計具有可調表面態和多重拓撲功能的量子器件奠定了理論基礎。相關研究成果作為編輯推薦文章，發表在《物理評論B》（Physical Review B）上。論文鏈接