拓扑绝缘体由于具有受时间反演保护的拓扑表⾯态⽽展现出许多新奇的特性，如量⼦⾃旋霍尔效应、磁掺杂时的量⼦反常霍尔效应，以及在拓扑/铁磁异质结中的⾮局域磁阻尼贡献等。这种拓扑表⾯态通常寄宿在样品表⾯约⼏个纳⽶左右的深度中，因此具有较⼤表⾯占⽐的超薄膜是放⼤这些新奇特性的理想体系。然⽽随着厚度的减薄，薄膜上、下表⾯中的表⾯态将在空间上产⽣重合并相互耦合。
之前的理论⼯作计算了典型的狄拉克拓扑材料Bi2Se3超薄膜体系中上下表⾯态的杂化，并指出这种杂化会导致表⾯态的狄拉克点打开⼀个能隙，且该能隙在某些厚度的体系中是拓扑⾮平庸的，这将进⼀步导致⼀维拓扑边缘态的出现。
尽管单粒⼦能带理论可以成功描述拓扑绝缘体的能带结构，预⾔的能隙在实验中也被成功观测到，但是随着薄膜厚度的降低，能隙理论计算值明显⼩于实验值，且后续的⾃旋分辨的⻆分辨光电⼦谱实验，铟掺杂诱导的拓扑相变实验，以及微探针输运实验中，均未观测到该能隙的拓扑性质，表明单粒⼦能带理论仍⽆法描述Bi2Se3超薄膜体系的能带结构及其输运特性。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼磁学重点实验室M04课题组成昭华研究员带领研究团队与州⼤学兰州⼤学薛德胜教授合作，对Bi2Se3超薄膜体系中上下表⾯态的耦合进⾏了系统的研究。
在实验上，他们通过超⾼真空分⼦束外延系统，制备出⾼质量的且可精确控制厚度的Bi2Se3超薄膜，通过⻆分辨光电⼦谱（ARPES）测量了不同厚度Bi2Se3的表⾯态，并拟合出了低厚度时能隙的⼤⼩以及Dirac点的位置。在理论上，他们引⼊了⼀个屏蔽库仑形式的等效互作⽤来描述这种表⾯态间的耦合，在Hartree近似下计算了该耦合的⾃能，发现该耦合会导致表⾯态能带随着厚度变化会产⽣整体的平移。
同时他们也计算了⾃洽质量能隙⽅程，给出了质量能隙随厚度的变化规律。发现随着样品厚度的降低，能带的平移以及能隙⼤⼩的变化均与实验结果较好地吻合。
此外，他们还发现在Bi2Se3超薄膜体系中，上下表⾯的库仑耦合与⽯墨烯体系中K, K’点处两个狄拉克锥间的库仑耦合⼗分相似，打破的都是⼿征对称性，并不会产⽣拓扑⾮平庸的能隙，这⼀⼯作解决了之前在Bi2Se3超薄膜体系中实验与理论结论中存在的⽭盾，这使得⼈们对拓扑超薄膜体系中表⾯态⾏为的理解更加深刻，同时也为多层拓扑堆垛体系找到了⼀种新的描述⽅式。
相关⼯作发表在了Nature Communications. 14, 4424 (2023).