石墨烯与硅烯中的量子反常霍尔效应获得理论新突破

　　合肥微尺度物质科学国家实验室与物理系双聘教授乔振华研究组与校内外同行合作在预言石墨烯和硅烯中的量子反常霍尔效应方面取得新突破，成果发表在3月14日和21日前后两期的国际权威物理学杂志《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 112, 106802 (2014)；Phys. Rev. Lett. 112, 116404 (2014)]，后者并入选编辑推荐文章(Editors’ Suggestions)。

　　量子反常霍尔效应是当今凝聚态物理领域一个备受关注的研究热点。传统的量子霍尔效应源于电子在外加强磁场作用下的朗道能级；作为一种新的量子态，量子反常霍尔效应源于材料自身的自旋轨道耦合和局域交换场的联合作用。该效应在1988年由美国科学家F. D. M. Haldane在理论上提出，随后物理学家们试图在多类新型量子材料中实现这一效应，直到2013年才首次由清华大学的薛其坤教授所主导的国际研究团队在超低温(~0.03K)的极端条件下的磁性拓扑绝缘体中观测到[Science 340, 167 (2013)]。如何在更高温度或其它更易实现的体系里观察到这一新奇的量子效应，具有广泛的基础与应用价值。

　　由于其独特的晶体结构与线性狄拉克色散关系[如图(a)和(c)所示]，石墨烯提供了另一种理想的探索量子反常霍尔效应的平台。不同于拓扑绝缘体，石墨烯本身没有磁性并且内禀自旋轨道效应极弱。2010年乔振华博士与合作者提出在石墨烯中通过引入破坏镜面对称性的外禀Rashba自旋轨道耦合作用以及破坏时间反演对称性的局域交换场，可以打开一个拓扑性质非平庸的体能隙来实现量子反常霍尔效应[Phys. Rev. B 82, 161414(R)(2010)]。在随后的工作中，该团队开展了一系列研究来揭示石墨烯中量子反常霍尔效应的微观物理形成机制并提出了多种实验原型，比如周期性或随机性地吸附磁性金属原子。然而，在石墨烯表面金属原子倾向于形成团簇而非形成稀疏吸附分布，意味着通过吸附磁性金属原子在石墨烯中实现量子反常霍尔效应是极端困难的。

　　图 1：(a) 4x4的石墨烯超元胞；(b) 4x4的石墨烯超元胞置于铁铋酸的(111)铁磁面上；(c) 对应于图(a)的石墨烯能带图[狄拉克点无能隙]；(d) 对应于图(b)的能带图[狄拉克点打开一个量子反常霍尔效应体能隙]。

　　最近，乔振华教授与校内外同行提出一种新的实验方案来实现量子反常霍尔效应：将石墨烯置于反铁磁绝缘体材料铁铋酸的铁磁面上(如图1(b)所示)。由于石墨烯与磁性原子间的近邻效应，石墨烯可以同时诱导出较强的外禀Rashba自旋轨道耦合作用以及更强的局域交换场，从而打开一个约为11.5K的量子反常霍尔效应体能隙(如图1(d)所示)。此外，通过外加垂直应力来调节石墨烯与磁性衬底的间距，可以增强近邻效应从而使得其实验可实现温度达到40K以上[详见Phys. Rev. Lett. 112, 116404 (2014)] 。

　　作为石墨烯的姊妹材料，硅烯由硅原子按六角晶格结构组成。除了具有石墨烯的优异特性外，硅稀起伏的几何结构特性使其内禀自旋轨道耦合作用和内禀Rashba自旋轨道耦合作用比石墨烯大很多。由于其较强的内禀自旋轨道耦合作用，硅烯被认为是一种理想的材料来实现量子自旋霍尔效应。当时间反演对称性被迫坏时，内禀Rashba自旋轨道耦合作用也会导致量子反常霍尔效应。乔振华教授与国内多校合作者从理论上发现，单独的内禀或者外禀的Rashba自旋轨道耦合作用导致的量子反常霍尔效应在动量空间的不同谷点具有相同的贡献；但是，当内禀与外禀Rashba自旋轨道耦合作用同时存在时，其联合作用制造出一种新的谷极化的量子反常霍尔效应，即量子反常霍尔效应在不同谷点具有不同的贡献，从而使得该电子态同时具有量子反常霍尔效应和量子谷霍尔效应的特性。该项研究为将来设计低能耗的谷电子学元器件提供了坚实的理论依据[详见Phys. Rev. Lett. 112, 106802 (2014)]。

　　该系列工作受到中国科大、中国科学院“百人计划”、国家自然科学基金委和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。