合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與物理系雙聘教授喬振華研究組與校內(nèi)外同行合作在預(yù)言石墨烯和硅烯中的量子反常霍爾效應(yīng)方面取得新突破，成果發(fā)表在3月14日和21日前后兩期的國(guó)際權(quán)威物理學(xué)雜志《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett. 112, 106802 (2014)；Phys. Rev. Lett. 112, 116404 (2014)]，后者并入選編輯推薦文章(Editors’ Suggestions)。

　　量子反常霍爾效應(yīng)是當(dāng)今凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一個(gè)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)源于電子在外加強(qiáng)磁場(chǎng)作用下的朗道能級(jí)；作為一種新的量子態(tài)，量子反常霍爾效應(yīng)源于材料自身的自旋軌道耦合和局域交換場(chǎng)的聯(lián)合作用。該效應(yīng)在1988年由美國(guó)科學(xué)家F. D. M. Haldane在理論上提出，隨后物理學(xué)家們?cè)噲D在多類新型量子材料中實(shí)現(xiàn)這一效應(yīng)，直到2013年才首次由清華大學(xué)的薛其坤教授所主導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在超低溫(~0.03K)的極端條件下的磁性拓?fù)浣^緣體中觀測(cè)到[Science 340, 167 (2013)]。如何在更高溫度或其它更易實(shí)現(xiàn)的體系里觀察到這一新奇的量子效應(yīng)，具有廣泛的基礎(chǔ)與應(yīng)用價(jià)值。

　　由于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)與線性狄拉克色散關(guān)系[如圖(a)和(c)所示]，石墨烯提供了另一種理想的探索量子反常霍爾效應(yīng)的平臺(tái)。不同于拓?fù)浣^緣體，石墨烯本身沒(méi)有磁性并且內(nèi)稟自旋軌道效應(yīng)極弱。2010年喬振華博士與合作者提出在石墨烯中通過(guò)引入破壞鏡面對(duì)稱性的外稟Rashba自旋軌道耦合作用以及破壞時(shí)間反演對(duì)稱性的局域交換場(chǎng)，可以打開(kāi)一個(gè)拓?fù)湫再|(zhì)非平庸的體能隙來(lái)實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)[Phys. Rev. B 82, 161414(R)(2010)]。在隨后的工作中，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列研究來(lái)揭示石墨烯中量子反常霍爾效應(yīng)的微觀物理形成機(jī)制并提出了多種實(shí)驗(yàn)原型，比如周期性或隨機(jī)性地吸附磁性金屬原子。然而，在石墨烯表面金屬原子傾向于形成團(tuán)簇而非形成稀疏吸附分布，意味著通過(guò)吸附磁性金屬原子在石墨烯中實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)是極端困難的。

　　圖 1：(a) 4x4的石墨烯超元胞；(b) 4x4的石墨烯超元胞置于鐵鉍酸的(111)鐵磁面上；(c) 對(duì)應(yīng)于圖(a)的石墨烯能帶圖[狄拉克點(diǎn)無(wú)能隙]；(d) 對(duì)應(yīng)于圖(b)的能帶圖[狄拉克點(diǎn)打開(kāi)一個(gè)量子反常霍爾效應(yīng)體能隙]。

　　最近，喬振華教授與校內(nèi)外同行提出一種新的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)：將石墨烯置于反鐵磁絕緣體材料鐵鉍酸的鐵磁面上(如圖1(b)所示)。由于石墨烯與磁性原子間的近鄰效應(yīng)，石墨烯可以同時(shí)誘導(dǎo)出較強(qiáng)的外稟Rashba自旋軌道耦合作用以及更強(qiáng)的局域交換場(chǎng)，從而打開(kāi)一個(gè)約為11.5K的量子反常霍爾效應(yīng)體能隙(如圖1(d)所示)。此外，通過(guò)外加垂直應(yīng)力來(lái)調(diào)節(jié)石墨烯與磁性襯底的間距，可以增強(qiáng)近鄰效應(yīng)從而使得其實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)溫度達(dá)到40K以上[詳見(jiàn)Phys. Rev. Lett. 112, 116404 (2014)] 。

　　作為石墨烯的姊妹材料，硅烯由硅原子按六角晶格結(jié)構(gòu)組成。除了具有石墨烯的優(yōu)異特性外，硅稀起伏的幾何結(jié)構(gòu)特性使其內(nèi)稟自旋軌道耦合作用和內(nèi)稟Rashba自旋軌道耦合作用比石墨烯大很多。由于其較強(qiáng)的內(nèi)稟自旋軌道耦合作用，硅烯被認(rèn)為是一種理想的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。當(dāng)時(shí)間反演對(duì)稱性被迫壞時(shí)，內(nèi)稟Rashba自旋軌道耦合作用也會(huì)導(dǎo)致量子反常霍爾效應(yīng)。喬振華教授與國(guó)內(nèi)多校合作者從理論上發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的內(nèi)稟或者外稟的Rashba自旋軌道耦合作用導(dǎo)致的量子反常霍爾效應(yīng)在動(dòng)量空間的不同谷點(diǎn)具有相同的貢獻(xiàn)；但是，當(dāng)內(nèi)稟與外稟Rashba自旋軌道耦合作用同時(shí)存在時(shí)，其聯(lián)合作用制造出一種新的谷極化的量子反常霍爾效應(yīng)，即量子反常霍爾效應(yīng)在不同谷點(diǎn)具有不同的貢獻(xiàn)，從而使得該電子態(tài)同時(shí)具有量子反常霍爾效應(yīng)和量子谷霍爾效應(yīng)的特性。該項(xiàng)研究為將來(lái)設(shè)計(jì)低能耗的谷電子學(xué)元器件提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)[詳見(jiàn)Phys. Rev. Lett. 112, 106802 (2014)]。

　　該系列工作受到中國(guó)科大、中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金委和量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。