合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(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日前后兩期的國際權(quán)威物理學(xué)雜志《物理評論快報(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)磁場作用下的朗道能級；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的聯(lián)合作用。該效應(yīng)在1988年由美國科學(xué)家F. D. M. Haldane在理論上提出，隨后物理學(xué)家們試圖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。不同于拓?fù)浣^緣體，石墨烯本身沒有磁性并且內(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引入破壞鏡面對稱性的外稟Rashba自旋軌道耦合作用以及破壞時(shí)間反演對稱性的局域交換場，可以打開一個拓?fù)湫再|(zhì)非平庸的體能隙來實(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)開展了一系列研究來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) 對應(yīng)于圖(a)的石墨烯能帶圖[狄拉克點(diǎn)無能隙]；(d) 對應(yīng)于圖(b)的能帶圖[狄拉克點(diǎn)打開一個量子反常霍爾效應(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，從而打開一個約為11.5K的量子反常霍爾效應(yīng)體能隙(如圖1(d)所示)。此外，通過外加垂直應(yīng)力來調(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實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。當(dāng)時(shí)間反演對稱性被迫壞時(shí)，內(nèi)稟Rashba自旋軌道耦合作用也會導(dǎo)致量子反常霍爾效應(yīng)。喬振華教授與國內(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Phys. Rev. Lett. 112, 106802 (2014)]。

　　該系列工作受到中國科大、中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”、國家自然科學(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。