什么是量子自旋霍爾效應(yīng)？

鍺烯是一種由單層鍺原子組成的二維材料，類似于石墨烯。鍺烯具有蜂窩狀的晶格結(jié)構(gòu)，但是不同于石墨烯的是，鍺烯的原子有一定的凸起，形成了低屈曲的形態(tài)。這種凸起使得鍺烯具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合：這是一種量子力學(xué)效應(yīng)，描述了電子的自旋和軌道運(yùn)動之間的相互作用。

什么是量子自旋霍爾效應(yīng)？

量子自旋霍爾效應(yīng)是一種拓?fù)浣^緣體的特性，指的是一種材料在內(nèi)部是絕緣的，但是在邊緣有導(dǎo)電的態(tài)。這些邊緣態(tài)具有特殊的性質(zhì)，例如不受雜質(zhì)或缺陷的影響，以及具有反向的自旋極化。這意味著電流在一個(gè)方向流動時(shí)，電子的自旋會指向另一個(gè)方向。量子自旋霍爾效應(yīng)是一種拓?fù)湫?yīng)，即它不依賴于材料的具體形狀或大小，而只取決于材料的拓?fù)洳蛔兞浚@是一種描述材料電子結(jié)構(gòu)全局特征的數(shù)學(xué)量。

鍺烯如何實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)？

在2023年5月12日發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上的一篇論文中，來自荷蘭、中國和日本的科學(xué)家首次實(shí)驗(yàn)證明了鍺烯是一種量子自旋霍爾絕緣體，并且可以通過外加垂直電場來調(diào)控其拓?fù)湎嘧儭Ｋ麄兪褂昧藪呙杷淼里@微鏡和掃描隧道譜來觀察和測量鍺烯在金屬銀基底上生長出來的蜂窩結(jié)構(gòu)和電子態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)，在沒有電場時(shí)，鍺烯具有一個(gè)較大的能隙即內(nèi)部沒有導(dǎo)電態(tài)，但是在邊緣有兩條反向自旋極化的金屬態(tài)，表現(xiàn)出量子自旋霍爾效應(yīng)。當(dāng)他們施加一個(gè)臨界電場時(shí)，能隙關(guān)閉，鍺烯變成了一種狄拉克半金屬，即內(nèi)部和邊緣都有導(dǎo)電態(tài)，并且呈現(xiàn)出線性色散關(guān)系。當(dāng)他們進(jìn)一步增加電場時(shí)，能隙重新打開，但是邊緣態(tài)消失了，鍺烯變成了一種普通絕緣體，失去了拓?fù)湫再|(zhì)。

鍺烯有什么應(yīng)用前景？

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)展示了鍺烯作為一種單元素量子自旋霍爾絕緣體的潛力，并且證明了可以通過外加電場來實(shí)現(xiàn)拓?fù)湎嘧兒烷_關(guān)功能。這為未來設(shè)計(jì)基于拓?fù)洳牧系牡湍芎碾娮悠骷峁┝丝赡苄?，例如拓?fù)鋱鲂?yīng)晶體管，它可以利用邊緣態(tài)來傳輸信息，并且不受散射或噪聲的干擾。此外，鍺烯還可以與其他二維材料組合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生更多豐富和復(fù)雜的物理現(xiàn)象和功能。鍺烯作為一種新型拓?fù)洳牧?，值得進(jìn)一步深入探索和開發(fā)。