由于具有可抵御材料缺陷和外界扰动的受保护的金属表面态，拓扑绝缘体在量子计算、表面催化、电/热输运精密调控等方面具有潜在的应用前景。然而它们的体内带隙一般都较小，限制了实际应用。寻找更大的、可超越传统拓扑绝缘体带隙的金属表面态成为当前科学研究追求的目标之一。

电子化合物以间隙位高度局域的电荷密度进而形成间隙准原子（ISQ）为基本特征，是一类新兴的材料。利用实空间（即坐标空间）中的绝热连接原理，我们发现不管它们在标准拓扑理论中是否拓扑平庸，所有的电子化合物必然普遍存在足以抵御任何扰动的稳健的金属表面态。这一违反直觉的性质可追溯至电子化合物靠近晶体表面或界面时发生的固有的局域电荷离域化转变，这是一种实空间电荷密度分布的拓扑从电子化合物体内的以间隙位为中心向界面或表面之外的以原子为中心的分布的转变，其在界面或表面附近离域化并不可避免地导致带隙闭合。相同的现象也可用化学图像理解：这时电子化合物的ISQ被描述为非局域的多中心化学键的集体特性，晶格原子周期性排列的终止或表面边界的存在，即使在几个原子层的距离之外，也会破坏多中心化学键的一致性和完整性，使得成键电子缺失，进而导致金属表面态。这是关于电子化合物中稳健且普遍的金属表面态的局域视角，与拓扑的整体视角相对应。我们展示了这些金属表面态是稳定的、无法被消除的，且与晶体具体的截止面、晶相、杂质或缺陷都无关。其中的载流子分布在实空间中与通常的拓扑绝缘体类似，是一种事实上的实空间拓扑体。

这一发现还隐含着其它新的物理现象。由于电子化合物中的荷-核分离有可能导致反常的纵声学支-横声学支劈裂（LA-TA splitting），当电子与晶格振动强耦合时，晶格驱动的电子共振振荡相对于声学声子存在同相和反相两种状态模式，后者具有更低的总能量，但纵声学声子在零动量下能量非零，因而维持前述的纵声学支-横声学支劈裂现象。然而对于能量更高的同相集体激发模式，所有离子诱导的极性变化都被严格抵消，导致纵声学声子在零动量处的零能模式，且在小动量下的色散关系为线性的，这一特殊模式恢复了纵声学支的通常行为。因此，如果存在界面或表面，这一集体运动模式将与稳健且普遍的金属表面态共存，这意味着电子化合物的界面或表面处可能存在与纵声学支共振的声学等离激元（与金属中的通常等离激元相区别），有可能对界面或表面的电学或光学性质产生影响。

电子化合物中的金属表面态形成机制与标准拓扑理论的能带反转截然不同，因而允许避开限制拓扑绝缘体带隙大小的障碍。我们展示了在通常意义上拓扑平庸的电子化合物可具有大于6.13电子伏的“巨”体带隙稳健且普遍的金属表面态，是目前已知“宽带隙”拓扑绝缘体带隙的大约6倍，是实现“巨带隙”金属表面态的一条新途径。这一进展还揭示了标准拓扑能带理论的不足（它无法描述实空间电荷分布的拓扑变化），确认电子化合物是一种概念上全新的实空间拓扑体，并展示了绝热连接方法在分析非均质结构中集体行为方面所起的作用和优势。

参考资料：

[1] D. Wang, H. Song, L. Zhang, H. Wang, Y. Sun, F. Wu, Y. Chen, X. Chen, and Hua Y. Geng, Universal Metallic Surface States in Electrides, J. Phys. Chem. C, 128, 1845-1854 (2024). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c07496