合肥微标准物质科学国家试验室与物理系双聘教授乔振华研讨组与校表里同行协作在预言石墨烯和硅烯中的量子失常霍尔效应方面获得新打破，效果宣布在3月14日和21日前后两期的世界威望物理学杂志《物理谈论快报》上[Phys.Rev.Lett.112,106802(2014)；Phys.Rev.Lett.112,116404(2014)]，后者并入选修改引荐文章（Editors’Suggestions）。

  量子失常霍尔效应是当今凝聚态物理范畴一个十分重视的研讨热门。传统的量子霍尔效应源于电子在外加强磁场效果下的朗道能级；作为一种新的量子态，量子失常霍尔效应源于资料自身的自旋轨迹耦合和局域交换场的联协效果。该效应在1988年由美国科学家F.D.M.Haldane在理论上提出，随后物理学家们企图在多类新式量子资猜中完成这一效应，直到2013年才初次由清华大学的薛其坤教授所主导的世界研讨团队在超低温（~0.03K）的极点条件下的磁性拓扑绝缘体中观测到[Science340,167(2013)]。如安在更高温度或其它更易完成的系统里观察到这一别致的量子效应，具有广泛的根底与使用价值。

  因为其共同的晶体结构与线性狄拉克色散联系[如图（a）和（c）所示]，石墨烯供给了另一种抱负的探究量子失常霍尔效应的渠道。不同于拓扑绝缘体，石墨烯自身没有磁性而且内禀自旋轨迹效应极弱。2010年乔振华博士与协作者提出在石墨烯中经过引进损坏镜面对称性的外禀Rashba自旋轨迹耦协效果以及损坏时刻反演对称性的局域交换场，能翻开一个拓扑性质非平凡的体能隙来完成量子失常霍尔效应[Phys.Rev.B82,161414(R)(2010)]。在随后的作业中，该团队展开了一系列研讨来提醒石墨烯中量子失常霍尔效应的微观物理构成机制并提出了多种试验原型，比方周期性或随机性地吸附磁性金属原子。可是，在石墨烯外表金属原子倾向于构成团簇而非构成稀少吸附散布，意味着经过吸附磁性金属原子在石墨烯中完成量子失常霍尔效应是极点困难的。

  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[狄拉克点翻开一个量子失常霍尔效应体能隙]。

  最近，乔振华教授与校表里同行提出一种新的试验方案来完成量子失常霍尔效应：将石墨烯置于反铁磁绝缘体资料铁铋酸的铁磁面上（如图1（b）所示）。因为石墨烯与磁性原子间的近邻效应，石墨烯能够一起诱导出较强的外禀Rashba自旋轨迹耦协效果以及更强的局域交换场，然后翻开一个约为11.5K的量子失常霍尔效应体能隙（如图1（d）所示）。此外，经过外加笔直应力来调理石墨烯与磁性衬底的距离，能加强近邻效应然后使得其试验可完成温度到达40K以上[详见Phys.Rev.Lett.112,116404(2014)]。

  作为石墨烯的姊妹资料，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，硅稀崎岖的几许结构特性使其内禀自旋轨迹耦协效果和内禀Rashba自旋轨迹耦协效果比石墨烯大许多。因为其较强的内禀自旋轨迹耦协效果，硅烯被认为是一种抱负的资料来完成量子自旋霍尔效应。当时刻反演对称性被损坏时，内禀Rashba自旋轨迹耦协效果也会导致量子失常霍尔效应。乔振华教授与北航、北理等国内多校协作者从理论上发现，独自的内禀或许外禀的Rashba自旋轨迹耦协效果导致的量子失常霍尔效应在动量空间的不同谷点具有相同的奉献；可是，当内禀与外禀Rashba自旋轨迹耦协效果一起存在时，其联协效果制造出一种新的谷极化的量子失常霍尔效应，即量子失常霍尔效应在不同谷点具有不一样的奉献，然后使得该电子态一起具有量子失常霍尔效应和量子谷霍尔效应的特性。该项研讨为将来规划低能耗的谷电子学元器件供给了坚实的理论按照[详见Phys.Rev.Lett.112,106802(2014)]。

  该系列作业遭到我国科大、我国科学院“中科院人才方案”、国家自然科学基金委和量子信息与量子科技前沿协同立异中心的赞助。