中國科大等在二維材料拓撲態研究領域取得系列進展

　　中國科學技術大學教授喬振華課題組與國內外同行合作，在二維體系拓撲量子態的理論研究方面取得系列進展。相關成果發表在《自然-納米技術》、《物理評論快報》和《物理學進展報告》上。

　　量子反常霍爾效應（即零磁場條件下量子霍爾效應）自石墨烯和拓撲絕緣體發現以來受到了凝聚態物理和材料科學領域的廣泛關注，并且最近幾年實驗上也取得了巨大突破。與如何制備出整數量子化的反常霍爾效應截然相反的一個問題是：在無序/雜質存在的情況下，量子反常霍爾效應如何被破壞并最終變為Anderson絕緣體？通過系統地利用電子輸運特性研究、貝利曲率分析以及局域化長度計算，喬振華課題組與合作者發現了一種新型的量子反常霍爾效應在自旋反轉雜質情況下的Anderson局域化的全新物理機制，即價帶和導帶對應的貝利曲率在雜質的作用下發生交換從而實現量子反常霍爾效應的局域化。該成果發表在7月29日的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 117, 056802 (2016)]。

　　由于其獨特的線性狄拉克色散關系，石墨烯成為研究各種拓撲量子態的理想載體。通過外部調控（原子吸附或者耦合襯底）誘導鐵磁性或者自旋軌道耦合作用，石墨烯被預言可以實現二維Z2拓撲絕緣體和量子反常霍爾效應。但由于其誘導出的極弱自旋軌道耦合作用，這兩類拓撲量子態尚未在實驗上實現。除了電子自旋外，石墨烯還擁有谷KK’這一自由度。通過在單層石墨烯的AB兩套子晶格中引入不同的在位能或者在雙層石墨烯中外加一個垂直電場，可以打開體能隙實現量子谷霍爾效應。但是該拓撲態對體系邊緣的構型非常敏感，因而在實驗上很難實現。當外加的垂直電場隨著空間發生變化，在電場強度為零的附近區域便會形成拓撲受限的一維零模導電態。雖然該拓撲態在2008年已在理論上提出，但是由于實驗技術的原因一直沒有突破。經過兩年的努力，喬振華課題組和美國賓州州立大學教授祝鈞課題組合作，在雙層石墨烯上實現了該拓撲受限態。由于雜質的原因，雖然未能實現無耗散的整數量子化的電導，但是該電子態的平均自由程可以達到數百納米。在外加磁場的作用下，雜質引起的谷間散射的影響被極大地削弱，從而使得電導可以接近整數量子化的極限。這一發現極大地促進了由全電操控的無耗散谷電子學器件的發展和應用。該成果發表在8月29日的《自然-納米技術》上[Nat. Nanotech. 10, 1038 (2016)]。

　　多年來，喬振華及合作者在基于石墨烯的二維材料體系拓撲量子態（如量子反常霍爾效應、量子自旋霍爾效應、量子谷霍爾效應以及拓撲受限一維零模態等）方向進行了一系列的研究，5月13日受邀在物理綜述期刊《物理學進展報告》發表文章[Rep. Prog. Phys. 79, 066501 (2016)]，系統綜述了近年來在各種二維材料拓撲態的理論和實驗方面的全面研究進展。該工作的第一作者為物理系2014級博士生任亞飛。

　　上述系列研究得到了基金委、中科院、科技部和教育部的資助。中國科大超級計算中心對這些工作的順利完成也給予了至關重要的支持。