前沿 | 范德华异质结构中的可调量子反常霍尔效应

两江科技评论

2024-04-10

导读：量子反常霍尔效应在拓扑电子学应用中具有独特的优势，但实现磁性和拓扑性质可调控的量子反常霍尔态、并将其应用于构筑功能器件是一个关键的科学问题。通过第一性原理计算，研究人员预测了一个可满足上述要求的候选材

量子反常霍尔效应在拓扑电子学应用中具有独特的优势，但实现磁性和拓扑性质可调控的量子反常霍尔态、并将其应用于构筑功能器件是一个关键的科学问题。通过第一性原理计算，研究人员预测了一个可满足上述要求的候选材料。相关工作近期以“Tunable Quantum Anomalous Hall Effects in Ferromagnetic van der Waals Heterostructures”为题发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）2024年第三期。清华大学物理系的段文晖教授和徐勇教授为该论文的通讯作者，清华大学物理系和北京量子信息科学研究院的博士后薛凤为文章的第一作者。合作者还包括加州大学欧文分校的武汝前教授、清华大学的何珂教授、中山大学的侯玉升副教授、复旦大学的博士生王哲和清华大学博士生许祇铭。

图 (a)Bi/MnBi₂Te₄范德华异质结的晶体结构；（b）材料中可控磁性和拓扑相变的示意图。磁化方向（红色箭头）可以通过施加应变（紫色箭头）或磁场进行调控。通过改变磁化取向或扭转范德华异质结构可以实现陈数可调控的量子反常霍尔态。

量子反常霍尔效应是一种拓扑现象，表现为在没有外部磁场的情况下出现量子化的霍尔电导，对于下一代电子设备具有重大的应用潜力。研究团队通过系统的第一性原理计算，预测在由范德华力耦合的Bi和MnBi₂Te₄单层组成的单一材料体系中（图a），可以同时实现平面内和平面外磁化诱导的量子反常霍尔效应。通过施加应变、磁场或扭转材料等方式，该体系的磁性和拓扑性质能发生重要变化，从而产生物性高度可调控的量子反常霍尔态（图b）。

该研究不仅为拓扑电子学提供了一个实践的材料平台，也为量子反常霍尔效应的进一步实验与理论探究开辟了新的途径。

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Tunable Quantum Anomalous Hall Effects in Ferromagnetic van der Waals Heterostructures

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad151