拓扑绝缘体是一种新的量子物态。传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘
体和导体，其中绝缘体材料在其费米能处存在着有限大小的能隙，因而没有自由载流子；金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度，进而拥有自由载流子。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，从理论上分析，这类材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面总是金属性的（见图1）。拓扑绝缘体这一特殊的电子结构，是由其能带结构的特殊拓扑性质所决定的。拓扑绝缘体这种奇特的物质形态，最早是在二维体系中发现，并表现为二维体系的边缘态Edgestate。由于其性质都需要极端的低温、磁场和超高真空的条件才能实现，因而被认为难以得到应用。2009年理论和实验同时发现了的一类新型三维拓扑绝缘体材料【12】，即Bi2Se3、Bi2Te3类新型的三维拓扑绝缘体材料。三维拓扑绝缘体的体相实际上是窄带半导体，并且其具有一个螺旋型自旋helicalspi
的表面态，在体能隙中形成一个Dirac锥参考图1。这类拓扑绝缘体的优越性在于，首先其带隙较大，Bi2Se3达到03eV，因而可用于室温甚至高温下。其次其布里渊区中只有一个Diracco
e，结构简单易于控制。同时，这种表面态的存在是由材料的体能带的拓扑性质所决定，因此不像普通的表面态那样易于被表面污染。这种独特的性质让拓扑绝缘体很有希望应用于自旋电子学、容错量子计算、以及超长寿命催化剂等领域，成为近一年多来凝聚态物理研究领域的爆发性热点【38】。尤其从2009年下半年开始，国际上对于拓扑绝缘体的研究呈激烈竞争状态，在arXiv上投档的文稿数量亦呈指数增长。
图1：左图角分辨光电子能谱（ARPES）测量得到的拓扑绝缘体Bi2Se3的电子结构。EB0为费米能级，可以看到，在体能带的带隙中有一个锥型的表面态，Dirac点在布里渊区的中心Γ点。其而在这个Dirac锥的两侧，电子的自旋方向是相反的。（右图）理论上的Bi2Se3的电子结构，显示在Dirac锥的不同方向，自旋具有不同的取向。
Bi2Se3Bi2Te3型拓扑绝缘体被认为是可以和氧化物超导体比拟的新型材料，其不但对于理解凝聚态物质的基本物理有重要的意义，还具有极大的应用前景。例如，如果对拓扑绝缘体施加一个弱的时间反演破缺的微扰，则会在表面上打开一个带隙，由于表面的量子霍尔效应，将导致量子化的磁电耦合（即外加电场诱导一个磁偶极矩或反之亦然）。【9】。更有
f意思的是r