合肥微尺度物質科學國家實驗室與物理系雙聘教授喬振華研究組與校內外同行合作在預言石墨烯和硅烯中的量子反常霍爾效應方面取得新突破，成果發表在3月14日和21日前后兩期的國際權威物理學雜志《物理評論快報》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)。

　　量子反常霍爾效應是當今凝聚態物理領域一個備受關注的研究熱點。傳統的量子霍爾效應源于電子在外加強磁場作用下的朗道能級；作為一種新的量子態，量子反常霍爾效應源于材料自身的自旋軌道耦合和局域交換場的聯合作用。該效應在1988年由美國科學家F. D. M. Haldane在理論上提出，隨后物理學家們試圖在多類新型量子材料中實現這一效應，直到2013年才首次由清華大學的薛其坤教授所主導的國際研究團隊在超低溫(~0.03K)的極端條件下的磁性拓撲絕緣體中觀測到[Science 340, 167 (2013)]。如何在更高溫度或其它更易實現的體系里觀察到這一新奇的量子效應，具有廣泛的基礎與應用價值。

　　由于其獨特的晶體結構與線性狄拉克色散關系[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的平臺。不同于拓撲絕緣體，石墨烯本身沒有磁性并且內稟自旋軌道效應極弱。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間反演對稱性的局域交換場，可以打開一個拓撲性質非平庸的體能隙來實現量子反常霍爾效應[Phys. Rev. B 82, 161414(R)(2010)]。在隨后的工作中，該團隊開展了一系列研究來揭示石墨烯中量子反常霍爾效應的微觀物理形成機制并提出了多種實驗原型，比如周期性或隨機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現量子反常霍爾效應是極端困難的。

　　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) 對應于圖(a)的石墨烯能帶圖[狄拉克點無能隙]；(d) 對應于圖(b)的能帶圖[狄拉克點打開一個量子反常霍爾效應體能隙]。

　　最近，喬振華教授與校內外同行提出一種新的實驗方案來實現量子反常霍爾效應：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，石墨烯可以同時誘導出較強的外稟Rashba自旋軌道耦合作用以及更強的局域交換場，從而打開一個約為11.5K的量子反常霍爾效應體能隙(如圖1(d)所示)。此外，通過外加垂直應力來調節石墨烯與磁性襯底的間距，可以增強近鄰效應從而使得其實驗可實現溫度達到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構組成。除了具有石墨烯的優異特性外，硅稀起伏的幾何結構特性使其內稟自旋軌道耦合作用和內稟Rashba自旋軌道耦合作用比石墨烯大很多。由于其較強的內稟自旋軌道耦合作用，硅烯被認為是一種理想的材料來實現量子自旋霍爾效應。當時間反演對稱性被迫壞時，內稟Rashba自旋軌道耦合作用也會導致量子反常霍爾效應。喬振華教授與國內多校合作者從理論上發現，單獨的內稟或者外稟的Rashba自旋軌道耦合作用導致的量子反常霍爾效應在動量空間的不同谷點具有相同的貢獻；但是，當內稟與外稟Rashba自旋軌道耦合作用同時存在時，其聯合作用制造出一種新的谷極化的量子反常霍爾效應，即量子反常霍爾效應在不同谷點具有不同的貢獻，從而使得該電子態同時具有量子反常霍爾效應和量子谷霍爾效應的特性。該項研究為將來設計低能耗的谷電子學元器件提供了堅實的理論依據[詳見Phys. Rev. Lett. 112, 106802 (2014)]。

　　該系列工作受到中國科大、中國科學院“百人計劃”、國家自然科學基金委和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。