中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授喬振華課題組與國(guó)內(nèi)外同行合作，在二維體系拓?fù)淞孔討B(tài)的理論研究方面取得系列進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》、《物理評(píng)論快報(bào)》和《物理學(xué)進(jìn)展報(bào)告》上。
量子反�；魻栃�(yīng)（即零磁場(chǎng)條件下量子霍爾效應(yīng)）自石墨烯和拓?fù)浣^緣體發(fā)現(xiàn)以來(lái)受到了凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并且最近幾年實(shí)驗(yàn)上也取得了巨大突破。與如何制備出整數(shù)量子化的反�；魻栃�(yīng)截然相反的一個(gè)問(wèn)題是：在無(wú)序/雜質(zhì)存在的情況下，量子反�；魻栃�(yīng)如何被破壞并最終變?yōu)锳nderson絕緣體？通過(guò)系統(tǒng)地利用電子輸運(yùn)特性研究、貝利曲率分析以及局域化長(zhǎng)度計(jì)算，喬振華課題組與合作者發(fā)現(xiàn)了一種新型的量子反常霍爾效應(yīng)在自旋反轉(zhuǎn)雜質(zhì)情況下的Anderson局域化的全新物理機(jī)制，即價(jià)帶和導(dǎo)帶對(duì)應(yīng)的貝利曲率在雜質(zhì)的作用下發(fā)生交換從而實(shí)現(xiàn)量子反�；魻栃�(yīng)的局域化。該成果發(fā)表在7月29日的《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett. 117, 056802 (2016)]。
由于其獨(dú)特的線性狄拉克色散關(guān)系，石墨烯成為研究各種拓?fù)淞孔討B(tài)的理想載體。通過(guò)外部調(diào)控（原子吸附或者耦合襯底）誘導(dǎo)鐵磁性或者自旋軌道耦合作用，石墨烯被預(yù)言可以實(shí)現(xiàn)二維Z2拓?fù)浣^緣體和量子反常霍爾效應(yīng)。但由于其誘導(dǎo)出的極弱自旋軌道耦合作用，這兩類拓?fù)淞孔討B(tài)尚未在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。除了電子自旋外，石墨烯還擁有谷KK’這一自由度。通過(guò)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(gè)垂直電場(chǎng)，可以打開(kāi)體能隙實(shí)現(xiàn)量子谷霍爾效應(yīng)。但是該拓?fù)鋺B(tài)對(duì)體系邊緣的構(gòu)型非常敏感，因而在實(shí)驗(yàn)上很難實(shí)現(xiàn)。當(dāng)外加的垂直電場(chǎng)隨著空間發(fā)生變化，在電場(chǎng)強(qiáng)度為零的附近區(qū)域便會(huì)形成拓?fù)涫芟薜囊痪S零模導(dǎo)電態(tài)。雖然該拓?fù)鋺B(tài)在2008年已在理論上提出，但是由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的原因一直沒(méi)有突破。經(jīng)過(guò)兩年的努力，喬振華課題組和美國(guó)賓州州立大學(xué)教授祝鈞課題組合作，在雙層石墨烯上實(shí)現(xiàn)了該拓?fù)涫芟迲B(tài)。由于雜質(zhì)的原因，雖然未能實(shí)現(xiàn)無(wú)耗散的整數(shù)量子化的電導(dǎo)，但是該電子態(tài)的平均自由程可以達(dá)到數(shù)百納米。在外加磁場(chǎng)的作用下，雜質(zhì)引起的谷間散射的影響被極大地削弱，從而使得電導(dǎo)可以接近整數(shù)量子化的極限。這一發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了由全電操控的無(wú)耗散谷電子學(xué)器件的發(fā)展和應(yīng)用。該成果發(fā)表在8月29日的《自然-納米技術(shù)》上[Nat. Nanotech. 10, 1038 (2016)]。
多年來(lái)，喬振華及合作者在基于石墨烯的二維材料體系拓?fù)淞孔討B(tài)（如量子反�；魻栃�(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)、量子谷霍爾效應(yīng)以及拓?fù)涫芟抟痪S零模態(tài)等）方向進(jìn)行了一系列的研究，5月13日受邀在物理綜述期刊《物理學(xué)進(jìn)展報(bào)告》發(fā)表文章[Rep. Prog. Phys. 79, 066501 (2016)]，系統(tǒng)綜述了近年來(lái)在各種二維材料拓?fù)鋺B(tài)的理論和實(shí)驗(yàn)方面的全面研究進(jìn)展。該工作的第一作者為物理系2014級(jí)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(guó)科大超級(jí)計(jì)算中心對(duì)這些工作的順利完成也給予了至關(guān)重要的支持。
