分子间作用力的本质是什么？
本质是电磁相互作用。分子间作用力分为取向力，诱导力，色散力。 (1)取向力
取向力发生在极性分子与极性分子之间。由于极性分子的电性分布不均匀，一端带正电，一端带负电，形成偶极。因此，当两个极性分子相互接近时，由于它们偶极的同极相斥，异极相吸，两个分子必将发生相对转动。这种偶极子的互相转动，就使偶极子的相反的极相对，叫做“取向”。这时由于相反的极相距较近，同极相距较远，结果引力大于斥力，两个分子靠近，当接近到一定距离之后，斥力与引力达到相对平衡。这种由于极性分子的取向而产生的分子间的作用力，叫做取向力。 取向力的大小与偶极距的平方成正比。 (2)诱导力
在极性分子和非极性分子之间以及极性分子和极性分子之间都存在诱导力。 在极性分子和非极性分子之间，由于极性分子偶极所产生的电场对非极性分子发生影响，使非极性分子电子云变形(即电子云被吸向极性分子偶极的正电的一极)，结果使非极性分子的电子云与原子核发生相对位移，本来非极性分子中的正、负电荷重心是重合的，相对位移后就不再重合，使非极性分子产生了偶极。这种电荷重心的相对位移叫做“变形”，因变形而产生的偶极，叫做诱导偶极，以区别于极性分子中原有的固有偶极。诱导偶极和固有偶极就相互吸引，这种由于诱导偶极而产生的作用力，叫做诱导力。 同样，在极性分子和极性分子之间，除了取向力外，由于极性分子的相互影响，每个分子也会发生变形，产生诱导偶极。其结果使分子的偶极矩增大，既具有取向力又具有诱导力。在阳离子和阴离子之间也会出现诱导力。 诱导力的大小与非极性分子极化率和极性分子偶极距的乘积成正比。 (3)色散力
非极性分子之间也有相互作用。粗略来看，非极性分子不具有偶极，它们之间似乎不会产生引力，然而事实上却非如此。例如，某些由非极性分子组成的物质，如苯在室温下是液体，碘、萘是固体；又如在低温下，N2、O2、H2和稀有气体等都能凝结为液体甚至固体。这些都说明非极性分子之间也存在着分子间的引力。当非极性分子相互接近时，由于每个分子的电子不断运动和原子核的不断振动，经常发生电子云和原子核之间的瞬时相对位移，也即正、负电荷重心发生了瞬时的不重合，从而产生瞬时偶极。而这种瞬时偶极又会诱导邻近分子也产生和它相吸引的瞬时偶极。虽然，瞬时偶极存在时间极短，但上述情况在不断重复着，使得分子间始终存在着引力，这种力可从量子力学理论计算出来，而其计算公式与光色散公式相似，因此，把这种力叫做色散力。
警告：该答案较长，图多，除非像我一样手机流量用不完，否则最好点完赞就走~(～￣▽￣)～因为好像被老板看到了(～￣▽￣)～所以会补充些不太常见的非共价作用，此次大约会补充亲金作用、卤键和双氢键这些不那么耳熟能详的东西。========伪化生的分割线========================分子间作用力其实有很多种，通过分子间作用力构造出一些具有特定功能和结构的分子组合体就是超分子化学的主要研究内容（有时还搞搞配位键）。事实上，依照分子间作用力的对象和机制，可以大概分为以下几类：取向力、诱导力和色散力（范德华力）氢键π-π堆叠疏水作用π-负离子作用π-正离子作用亲金作用卤键双氢键1.取向力、诱导力和色散力为什么要把最高票提到的这几个力单独列出来一类呢？因为这些分子间力作用的效果体现在化学性质上（这里我了解的不多，因此轻喷）并不是那么明显，并且这些力在超分子化学的领域中并不那么重要，这些力的主要性质，最高票已经讲得很清楚了，我在这里只上几张图，就不赘述了。2.氢键2.氢键其实很久以前呢，中国科学家就用AFM（原子力显微镜）看到了氢键，此项结果学术界虽有争议，然而还是可以让各位直观地感受氢键的样子。图中那些暗淡至极的线条就是氢键啦！看着还有点小激动呢~~那么氢键究竟是怎么样生成的呢？我首先还是用图中的8-羟基喹啉举个栗子。它的分子结构式长这样：图中那些暗淡至极的线条就是氢键啦！看着还有点小激动呢~~那么氢键究竟是怎么样生成的呢？我首先还是用图中的8-羟基喹啉举个栗子。它的分子结构式长这样：锂离子请无视~一般来说，羟基喹啉上面的羟基，由于氧原子的吸引，氢原子上电荷密度就会减小，正电中心就会暴露出来，于是氢离子就会带上部分正电荷。而另一个环上的氮原子由于电负性较大，吸引周围的电子，电子密度增大，于是就带上了部分负电性。这两个原子的相互吸引的力，就是所谓氢键。氢键可以形成于分子内，也可以形成于分子之间。锂离子请无视~一般来说，羟基喹啉上面的羟基，由于氧原子的吸引，氢原子上电荷密度就会减小，正电中心就会暴露出来，于是氢离子就会带上部分正电荷。而另一个环上的氮原子由于电负性较大，吸引周围的电子，电子密度增大，于是就带上了部分负电性。这两个原子的相互吸引的力，就是所谓氢键。氢键可以形成于分子内，也可以形成于分子之间。3.π-π堆叠这是一种常常发生在芳香环之间的弱相互作用，通常存在于相对富电子和缺电子的两个分子之间。常见的堆叠方式有两种：面对面（就像夹着个饼）和面对边,面对面堆叠又可分为完全面对面堆叠和部分面对面堆叠。面对边相互作用可以看作是一个芳环上轻微缺电子的氢原子和另一个芳环上富电子的π电子云之间形成的弱氢键。简而言之就是两个芳环的电子云之间存在着这样一种吸引作用，或者是电子云会吸引带轻微部分正电荷的氢原子。4.疏水作用4.疏水作用这种作用在蛋白质中是非常常见的。蛋白质相互识别好像也是亲水对亲水，疏水对疏水。疏水相互作用对大多数蛋白质的结构和性质非常关键。疏水相互作用为蛋白质的折叠提供了主要的推动力，使疏水残基处在蛋白质分子的内部。有趣的是，尽管蛋白质因疏水相互作用而使大部分疏水基相互聚集，仍有约1/3的疏水基暴露在水中，于是水在疏水面上的特殊结构存在于蛋白质的水化结构中。降低温度使疏水相互作用变弱而氢键变强。另外有一个比较著名的例子就是细胞膜的磷脂双分子层，还有环糊精对疏水基团的包合。磷脂分子的亲水头部和疏水尾部在水相中便会排列成如图所示的双分子层。其原理就是因为在水环境下疏水部分互相吸引。下图的环糊精包合疏水基团也是类似的原理。磷脂分子的亲水头部和疏水尾部在水相中便会排列成如图所示的双分子层。其原理就是因为在水环境下疏水部分互相吸引。下图的环糊精包合疏水基团也是类似的原理。忽略图二，图一中的金刚烷基极度疏水，因此可以在水相中实现和环糊精的包合。忽略图二，图一中的金刚烷基极度疏水，因此可以在水相中实现和环糊精的包合。大连理工最近发的一篇jacs上结合催化剂和感光器件分子的正是基于环糊精和烷基之间的疏水作用。第二幅图的杯状物体就是环糊精基团。疏水相互作用是通过疏水物的疏水基与水相互排斥作用而发生的，疏水基一般是非极性基。这种作用使疏水基相互靠拢，同时使水相互集中并更大程度地结构化。其中有一种笼状水合物比较重要，自然界中也时有发现。这种笼状水合物的例子就是大家耳熟能详的可燃冰。可燃冰就是通过疏水相互作用形成的一种像冰那样的包合物，“主人”物质即水通过氢键形成一个像笼子那样的结构，将一种“客人”物质即小疏水分子以物理方式截留。笼状水合物代表水对一种非极性物质最大的结构形成响应，类似的微结构也天然得存在于生物物质中。疏水相互作用的作用长度可以达到大约100纳米，然而其他的分子作用力最多只有5纳米左右。然而关于疏水相互作用如此长的作用距离方面的研究，至今科学家们仍然没有得出令人满意的结论。5.π-负离子作用顾名思义，就是离域π键体系和负离子的相互作用力。下面那一张图出自清华发的一篇jacs：一个硫氰根离子通过这个作用力和含两个芳环的π体系结合。好像也做了四氟化硼和硝酸根的说，这篇文献并没有好好读~罪过罪过。好像也做了四氟化硼和硝酸根的说，这篇文献并没有好好读~罪过罪过。这三个离子都有一个特点就是都是负离子，而且电荷分布都主要是在配位原子上，中心原子貌似都是带部分正电荷的。于是这些带部分负电荷的部分就会因为负电荷和芳环之间的作用力被装到篮子里面去。关于这方面的文章我读的少，希望同志们可以指正。6.π-正离子作用可以看到芳环中电子密度是较高的，因此这部分负电荷是当然可以和正离子作用的啦！可以看到芳环中电子密度是较高的，因此这部分负电荷是当然可以和正离子作用的啦！这样一个作用其实本质上就是正负电荷相互吸引，富电子的芳环吸引带正电的离子或者是带部分正电荷的分子。但是这样的一个作用应用是非常广泛的，譬如下面这篇jacs中那样用来催化能够保持构型的亲核取代。在文章最后就有着这样的一个机理图（中间体的图）就是带正电荷的中间体和分子笼骨架中的芳环作用，从而可以人为地制作空间位阻，阻止构型翻转。7.亲金作用在处理金配合物的时候，有时候会发现这些配合物会自发形成一些有一定规律的组合体。通过分析手段表征得到其中存在着Au-Au键。由于敬爱的周公度先生已经在《大学化学》上发表了一篇文章，我在这里搬运一截，供各位参考（外文文献以后再说吧，我还有实验报告呢！o(︶︿︶)o亲金作用 ( aurophilicity或 aurophilic attraction)是指在含 Au
Ⅰ的化合物中非键的 Au
的相互吸引作用。按常规 ,分子中非键而带同类电荷的 Au
Ⅰ原子应互相推斥 ,但实际上许多
化合物中 Au
Ⅰ原子间的距离要比金原子的范德华半径之和 ( 332 pm)短很多。图 6示出化合
物 O [AuP(C6 H4CH3
( a)和 S[AuP(C6 H4 CH3
) 3 ]4 ClO4
( b)中的正离子的结构。在 ( a)
中 O原子和 3个 Au
Ⅰ形成三角锥形结构 ;在 ( b)中 S原子和 4个 Au
Ⅰ原子形成四角锥形结构。
Ⅰ均为直线形二配位 ,一端和 O或 S成键 ,另一端和 P原子成键。在这 2个离子中 , Au…Au
间的平均距离分别为 308. 6 pm和 293. 0 pm,均短于范德华半径和 ,相互吸引 ,以弱键结合使
结构稳定。这种弱的吸引作用即为亲金作用 ,以虚线表示。
图 6 O [ AuP( C6 H4 CH3
( a)和 S[ AuP( C6 H4CH3
亲金作用可将简单的金化合物结合成复杂的低聚聚集体 ,图 7示出 3个这种聚集体分子
的结构 : ( a) Au5
, mes为 2, 4, 62三甲基苯 ; ( b) [LAuCl]4
, L 为哌啶 , —N ; ( c)
[O (AuPPh3
) 3 ]2。分子之间的亲金作用将几个分子结合在一起形成聚集体。
图 7 简单金化合物通过亲金作用结合成聚集体
, ( b) {ClAu[N (CH2
, ( c) [O (AuPPh3
亲金作用的本质现在尚无定论。有一种观点认为 Au原子的 6 s轨道受相对论效应影响而
收缩 ,能级降低 ,和 5d轨道一起形成 6个轨道的非满壳层结构 ,使形式上的正一价金原子 Au
间具有相互吸引作用。有的学者认为亲金作用主要和电子相关效应 ( electron2correlation
effect)有关。
在正一价银的化合物中 ,银原子间也有和亲金作用相似的亲银作用 ( argentophilicity)。乙
炔银 (Ag2C2
)和银盐能形成多种复合物晶体。在已测定的若干复盐的晶体结构中 , C
藏在多面体银笼之中。组成多面体银笼的银原子之间 ,因亲银作用使它们的距离短于银原子
的范德华半径和 (340 pm) ,图 8中用虚线表示为“Ag222Ag”。这种银原子间的距离许多小于
300 pm,最短的仅 271 pm。银原子间距离大于 340 pm的用点线表示为“Ag…Ag”.
图 8 在乙炔银复盐中包藏 C
2 的多面体银笼的结构
在一些金和银的混合金属簇化合物中 ,亲金作用、亲银作用以及金银相亲作用将 Au原子
和 Ag原子共同组成簇合物中的金属内核。 周老师的文章链接：8.卤键 卤键和氢键原理差不多，主要是卤原子（可做亲电或者亲核试剂）和另一卤原子通过静电引力形成的一种结构。主要分为传统卤键和非 传统卤键。卤键的合成子在超分子化学上有着比较多的应用。传统卤键和非传统卤键（包括双齿卤键、负电荷辅助卤键、卤原子与π电子给体之间的卤键）的基本性质：1. 双亲性是共价卤原子所具有的独特性质：卤原子一方面在沿着R-X键轴方向显示出亲电性,另一方面在垂直于该键轴方向却显示出亲核性。2. 卤键复合物中的分子间距离均小于形成卤键的两个原子的范德华半径之和，并且卤键的强度跟氢键相当甚至超过了氢键，因而卤键可以看作是影响晶体中分子排布的决定性因素。理论研究发现卤键关键点处的电子密度可以用来衡量卤键的强度，并且弱的卤键本质上是静电的，而强的卤键显示出一定的共价性，这些性质和氢键不同。3. 双齿（三中心）卤键在晶体组装中扮演着比较重要的角色，利用从头算研究对一些由含卤分子RX和硝基甲烷CH3NO2形成的复合物进行了的研究。结果表明含氯复合物的强度非常弱，而含溴复合物的强度相对较强。同时双齿卤键中单个的分子间距离（X···O）比相应的两中心的卤键的键长要长很多，而强度却要弱一些。研究显示复合物中均存在卤键关键点，其作用属于闭壳型相互作用，并且卤键关键点处的电子密度的对数与卤键键长成很好的线性关系。4.C-X\π键（有机含卤分子与π电子给体之间形成的非共价相互作用）在结晶工程和生物体系中占据着很重要的地位。在所有碳卤分子与苯的二聚体中主要形成的是C-X\π键，并且这些键的强度非常弱，但是却与C-H\π键的强度相当。同时色散力对复合物的稳定性贡献最大，而电荷转移力却起着非常小的作用。研究确定了C-X\π键的存在,并且键关键点处的电子密度和电子密度的拉普拉斯量证实了C-X\π键其实属于卤键范畴。5.X\π复合物（由同核或者异核的双卤分子和芳香环形成）是芳香族化合物亲电卤化的重要的反应前复合物，并且在“电子提供-接受”复合物中占据着非常重要的地位。苯环上的取代基对X\π相互作用的强度影响很大。给电子基团使相互作用能轻微增加，而吸电子基团却使之减小。同时X\π复合物的稳定性主要是由色散力引起的，除了色散力，电荷转移作用在这些复合物形成过程中也起着比较重要的作用。对复合物进行的AIM研究确定了X\π键的存在，并且键关键点处拓扑参数证明了X\π键属于卤键的范畴。6.负电荷辅助卤键（溴负离子Br-和氰根离子CN-）在设计具有特殊的晶体结构和传导性质的新材料中有着广泛的应用。负电荷辅助卤键比相应的中性卤键要强的多，并且静电力对二聚体的稳定性贡献最大。除了静电力，电荷转移作用和二级轨道作用对复合物的形成也起着重要作用。另外对复合物进行的AIM研究确定了卤键的存在，并且卤键关键点处的拓扑参数比如电子密度、电子密度的拉普拉斯量、动能电子能量密度、势能电子能量密度等均与卤键的强度高度线性相关，但是电子能量密度的值却几乎没有变化。7.由于氟原子的极化率很小而电负性却很大，因而氟一般不能形成卤键。但是氟作为电子受体的非共价相互作用在晶体结构中已经逐渐发现，这种相互作用可以成为氟键。氟键的强度与常规卤键相当，并且静电力对二聚体的稳定性贡献最大。电荷转移作用对复合物的形成也起着非常小作用。另外对复合物进行的AIM研究确定了氟键的存在，并且键关键点处的电子密度和电子密度的拉普拉斯量证实了氟键其实属于卤键范畴。8.三角形的卤素三聚体（X···X···X）合成子在晶体结构中被认为是一种常见的粘合力，对晶体的稳定性起着至关重要的作用。所有三聚体均是由3个类型II方向的X···X相互作用构成。三聚体中的Br···Br键是非常弱的，而I···I键相对要强的多。虽然所有的溴三聚体和大部分的碘三聚体没有协同效应，但是三个碘三聚体却显示出很弱的协同效应。相对于单体而言，三聚体的所有振动频率变化均很小。另外对于三聚体中的X···X键,静电力起着最主要的作用。相对于溴三聚体，电荷转移作用在碘三聚体中贡献更大。9.双氢键举个例子，像下图所示的氢化钠中，氢离子是显负电性的，如果这个负电性的氢和一个正电性的氢放在一起，会不会也发生向氢键一样的作用呢？这样氢和氢之间的作用确乎是存在的，这就是双氢键。双氢键是氢键的一种，是金属氢化物与OH或NH基团或其它含质子基团的相互作用。Brown 和 Heseltine 首先发现这一现象。 他们发现在(CH3)2NHBH3的红外光谱的cm-1处有强烈的吸收峰。能量较高的峰对应普通的N-H键振动，而能量较低的峰则是N-H键与B-H键结合的结果。如果将溶液稀释，3300 cm-1处的吸收峰会增强，而3210 cm-1处的吸收则明显减弱，证明了这是一个分子间的相互作用。硼烷氨的晶体检测结果，再一次使大家的目光集中在了双氢键。在这个分子中，如同 Brown 和 Hazeltine 研究的那样，氮上的氢带有部分正电荷，表示为Hδ+，而硼上的氢则带有负电荷，表示为Hδ-。 换句话说，该胺是一个质子酸而硼烷端则带有一个负电荷，因此而形成的。B－H...H－N 吸引进一步的稳定了整个分子，使之为固态。与之类比的是乙烷，后者的沸点比前者低了285℃。因为在整个成键中用到了两个氢原子，因此称为双氢键。在一个氢负离子和一个质子酸的反应当中，在氢气生成之前，可能有双氢键的生成。在NaBH4·2H2O 中也能发现一个较短的双氢键，其中H-H键长分别为1.79、1.86 和1.94 ?。这类H－H键相互作用与过渡金属配合物中的H－H键相互作用不同，后者有与金属的双氢键。在两个中性的没有成键的氢原子之间也可能存在假设的H－H键。（参见分子中的原子理论）还有这种，由于Ir电负性小于H，故正电性的羟基氢和负电性的配体氢结合，就形成了双氢键。还有这种，由于Ir电负性小于H，故正电性的羟基氢和负电性的配体氢结合，就形成了双氢键。讲了这么多稀奇古怪的分子间相互作用力，好像并没有回答题主的问题但是必须指出，这些分子间作用力虽然各有不同其实都是电磁相互作用，换句话说，它们的本质都是电磁力。那我写这个答案是为了什么呢？(⊙o⊙)…我好像只是想给大家介绍一下这些稀奇古怪的东西而已，你们不觉得这些分子很好玩吗？
前两名的答案给出了非常清晰描述分间相互作用的物理图像以及举了很多分子键弱相互的例子。接下来我想介绍可以定量地更好地描述分子间相互作用本质的一套方法。====在量子力学中，力这个概念出现的非常少。更多用能量去定量描述体系的状态。分子间相互作用的过程可以看成分子原子，电子结构的重新排布以期达到更小的能量（势能+动能）的一个优化过程。接下来我们从这个角度出发来看分子间相互作用的本质。相互作用能，定义为超分子(supermolecule)复合物总能量与每个分块在复合状态结构下能量和差值。上式中的各个能量可以通过很多计算化学软件计算出来，我们得到了总的相互作用能。这个能量表示了整个体系相互作用降低了多少的能量。接下来，我们分析相互作用能由哪些成分构成，这种分析方法叫做能量分解分析方法(Energy decomposition analysis)。相互作用能量会被分解成有实际物理含义的各个成分。首先，我们计算静电相互作用能[electrostatic (or coulombic) energy]：我们把整体的波函数写成各个分块波函数Hartree连乘积的形式。连乘积的能量减去各个分块的能量和，得到了静电相互作用能。这时候，写成Hartree连乘积，分块与分块波函数之间不满足反对称的要求。会低估能量，低估这一部分能量叫做Pauli排斥能(Pauli exclusion energy)。为各个分块波函数写成Slate行列式形式，满足反对称的乘积形式。上述两项能量静电相互作用能与Pauli排斥能(Pauli exclusion energy)统称为海特勒-伦敦能(Heitler-London Energy)注意，以上所提及的波函数并未进行优化，也就是说，电子没有进行重新分布。我们在保持分块(组织电子在分块间转移)的情况下优化各个分块内的波函数。会带来能量的进一步下降，这部分能量我们称之为极化能(polarization energy)。极化能体现了电子重排所带来的能量降低值。最后我们彻底地打开分块对整体的电子排布进行优化。电子可以在分块内部进行转移，这部分的能量降低值称为电子转移能(charge transfer energy)。上述的电子排布优化都是基于自洽场迭代(SCF)完成，也就是说只是一阶微扰，不包含静态相关。色散能(dispersion energy)可以理解为后自洽场方法计算的能力减去自洽场计算能量的差值。这样我们完整地把相互作用的各个成分都理顺了。如果考虑原子位置的移动，可以加上重构能(deformation energy)====总结一下，我们把相互作用能分解成了静电相互作用能[electrostatic (or coulombic) energy]、Pauli排斥能(Pauli exclusion energy)、极化能(polarization energy)、电子转移能(charge transfer energy)以及 色散能(dispersion energy)。这五项能量均可以通过量子化学计算得到，这样我就可以分析某一种相互作用中那一种相互作用占主要。比如，-相互作用是色散能占主导，阴离子-相互作用是静电相互作用不断增强的产物，但色散能还是占主导。卤键是电子转移能占主导。所以不管是谁提出何种稀奇古怪的相互作用，我们可以用能量分解分析的手段告诉他，这并不稀奇，其实道理是这样的。这是了解分子间相互作用本质很好的方法。====关于能量分解分析：上文介绍的只是能量分解分析中的一种方法，叫做BLW-EDA(block-localized wavefunction energy decomposition analysis)方法。由高加力、莫亦荣等人发展。(想了解详情请参考:Phys. Chem. Chem. Phys., 60–)。还有一派基于微扰理论发展而来的能量分解分析方法。如著名的SAPT(Symmetry-Adapted Perturbation Theory)。从我上述的讲述中可以发现，我是边计算边定义，为了迎合计算的需要而进行的定义。这样的定义会引发各种样的争论，也诞生了其他一些基于超分子方法的能量分解分析方法。SAPT方法号称有非常清晰的物理意义。这一类的能量分解分析就像彭笑刚老师说的那样，相互作用离不开微扰。完全从微扰出发来分析相互作用。本人不了解此方法的细节，希望看到这方面的讲解。
“本质”是个定义不清楚的词，此类问题容易引起过于宽泛的讨论。
生活中除了引力之外绝大多数所见到的力本质都是电磁力。没记错的话四种基本力引力，电磁力，弱力，强力。后两者力程极短，核反应时才会涉及他们。如有错误还请指出。
电子分布几率密度
强相互作用力存在于原子核内部，弱相互作用力发生在原子核衰变时候，而引力一般存在于大质量天体之间的相互作用，在分子及以下领域的影响微乎其微。so，用排除法得出结论，电磁力。
化学本质上就是物理。化学没有独立理论，只有物理有。化学实验是艺术不是科学。
分子间作用力的本质，相邻分子在被弯曲的时空中"位"能平衡的结果。
如同问引力的本质是什么！倘若这个问题有人能给出正确答案，世界立马会有翻天覆地的变化
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社交帐号登录物理系《科学》发文 揭示拓扑诱导的磁性量子相变
为可能的器件应用提供了一个理想的平台
&&&&& &&清华新闻网3月29日电 清华大学物理系的研究人员与合作者在拓扑绝缘体的研究中取得重要进展，发现了磁性掺杂拓扑绝缘体中由能带拓扑量子相变而导致的磁性量子相变，相关成果发表在日出版的美国《科学》杂志上。文章的共同第一作者为清华大学物理系的博士研究生张金松、常翠祖和汤沛哲。该工作是由清华大学物理系王亚愚、薛其坤、段文晖、陈曦，中科院物理所何珂、马旭村、王立莉以及清华校友、美国宾西法尼亚州立大学的刘朝星组成的研究团队共同完成的。
图1. 不同Se含量(0 & x & 1)的Bi1.78Cr0.22(SexTe1-x)3薄膜在T = 1.5 K时的反常霍尔效应曲线。在x = 0.67附近材料发生从铁磁到顺磁的量子相变，并伴随着反常霍尔电阻符号的改变。
&&&&&& 拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理领域最重要的前沿研究方向之一。在拓扑绝缘体材料中，由于存在很强的自旋轨道耦合，其电子结构会呈现非平庸的拓扑特性。这使得拓扑绝缘体的表面存在着受拓扑保护的金属态，具有非常美妙的物理性质，在自旋电子学和量子计算方面可能有重要的应用前景。在拓扑绝缘体中掺杂磁性元素会破坏时间反演对称性，从而对拓扑表面态产生不利的影响。另一方面，掺杂磁性又有可能导致许多新奇的量子效应，比如量子反常霍尔效应（见清华新闻网3月15日的报道）和镜像磁单极子等等。拓扑与磁性的相互作用是目前拓扑绝缘体领域备受关注的一个研究方向，此前的工作主要集中在磁性对拓扑表面态的影响上，而较少关注电子能带结构的拓扑性质如何影响其磁学性质。
图2. Bi1.78Cr0.22(SexTe1-x)3 薄膜的磁性相图，揭示了随着Se含量的增加，在低温下存在着一个从铁磁态（FM）到顺磁态（PM）的磁性量子相变。
&&&&&& 在这个研究中，该研究团队利用分子束外延的方法生长了高质量的Cr（铬元素）掺杂的Bi2(SexTe1-x)3（铋硒碲三元化合物）拓扑绝缘体薄膜，并在低温条件下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。输运测量结果表明，随着Se含量的增加，体系发生了从铁磁态到顺磁态的磁性量子相变，并同时伴随着反常霍尔电阻符号的改变。此外，在量子临界点处，能带结构测量发现了体能带从拓扑非平庸到拓扑平庸的量子相变。密度泛函理论计算表明其物理机制是由于Se元素的自旋轨道耦合强度弱于Te元素，因此当其含量超过一个临界值时自旋轨道耦合强度不足以引起能带反转，从而进入拓扑平庸态。最后，有效模型的计算显示能带结构的拓扑相变是导致磁性相变的原动力，即拓扑非平庸的能带在低温下更倾向于形成铁磁序，而拓扑平庸的能带则倾向于形成顺磁序。
&&&&& &在此项工作中，该研究团队通过对材料组分的精确控制而改变自旋轨道耦合强度，从而可以主动调节拓扑绝缘体材料能带的拓扑结构，并最终诱导了一个磁性量子相变。这一发现大大加深了人们对拓扑绝缘体的拓扑性质和磁学性质的理解和调控能力，为将来寻找由时间反演对称性破缺而导致的奇异量子拓扑现象，以及可能的器件应用提供了一个理想的平台。
&&&&& &这项研究的成功得益于该团队成员的紧密合作，特别是在样品生长、输运性质测量和理论计算方面的有机结合，为新颖物理现象的发现和理解提供了全面而深刻的信息。
&&&&&&该项研究得到国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和清华大学等的资助。
&&&&& 背景链接：拓扑绝缘体
&&&& & 拓扑绝缘体是一种新的量子物态，为近几年来物理学的重要科学前沿之一。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级处存在着能隙，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，这类材料体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能级处存在着能隙，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。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。
&&&&& &拓扑绝缘体的发现和研究从根本上改变了人们对固体材料电子结构的认识，展示了能带拓扑结构的美妙性质。目前拓扑绝缘体研究的前沿方向包括拓扑绝缘体与磁性材料和超导材料的复合体系中可能存在的新奇量子现象及其在自旋电子学和拓扑量子计算方面的可能应用。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&供稿 ：物理系& 编辑：欣研 顾淑霞