中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授喬振華課題組與國內(nèi)外同行合作，在二維體系拓撲量子態(tài)的理論研究方面取得系列進展。相關(guān)成果發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》、《物理評論快報》和《物理學(xué)進展報告》上。
量子反?；魻栃?yīng)（即零磁場條件下量子霍爾效應(yīng)）自石墨烯和拓撲絕緣體發(fā)現(xiàn)以來受到了凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并且最近幾年實驗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)截然相反的一個問題是：在無序/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？通過系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)了一種新型的量子反?；魻栃?yīng)在自旋反轉(zhuǎn)雜質(zhì)情況下的Anderson局域化的全新物理機制，即價帶和導(dǎo)帶對應(yīng)的貝利曲率在雜質(zhì)的作用下發(fā)生交換從而實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的局域化。該成果發(fā)表在7月29日的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 117, 056802 (2016)]。
由于其獨特的線性狄拉克色散關(guān)系，石墨烯成為研究各種拓撲量子態(tài)的理想載體。通過外部調(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)言可以實現(xiàn)二維Z2拓撲絕緣體和量子反?；魻栃?yīng)。但由于其誘導(dǎo)出的極弱自旋軌道耦合作用，這兩類拓撲量子態(tài)尚未在實驗上實現(xiàn)。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(xiàn)量子谷霍爾效應(yīng)。但是該拓撲態(tài)對體系邊緣的構(gòu)型非常敏感，因而在實驗上很難實現(xiàn)。當(dāng)外加的垂直電場隨著空間發(fā)生變化，在電場強度為零的附近區(qū)域便會形成拓撲受限的一維零模導(dǎo)電態(tài)。雖然該拓撲態(tài)在2008年已在理論上提出，但是由于實驗技術(shù)的原因一直沒有突破。經(jīng)過兩年的努力，喬振華課題組和美國賓州州立大學(xué)教授祝鈞課題組合作，在雙層石墨烯上實現(xiàn)了該拓撲受限態(tài)。由于雜質(zhì)的原因，雖然未能實現(xiàn)無耗散的整數(shù)量子化的電導(dǎo)，但是該電子態(tài)的平均自由程可以達到數(shù)百納米。在外加磁場的作用下，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)極大地促進了由全電操控的無耗散谷電子學(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，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(tài)（如量子反常霍爾效應(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)、量子谷霍爾效應(yīng)以及拓撲受限一維零模態(tài)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(xué)進展報告》發(fā)表文章[Rep. Prog. Phys. 79, 066501 (2016)]，系統(tǒng)綜述了近年來在各種二維材料拓撲態(tài)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(guān)重要的支持。
