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北京理工大學物理學院博士生劉一辰、劉鋮鋮教授和姚裕貴教授與合作者，包括荷蘭特文特大學Pantelis Bampoulis、Harold J.?W. Zandvliet教授及日本東京大學Motohiko Ezawa教授，實驗觀測到了鍺烯中的量子自旋霍爾態及拓撲相變。該成果5月12日發表在國際知名期刊《物理評論快報》上，并被選為該期的封面文章(Cover)和編輯推薦(Editors' Suggestion)，同時也被美國物理學會Physics網站專題評論報道。該工作證實了姚裕貴團隊12年前的理論預言【Quantum Spin Hall Effect in Silicene and Two-Dimensional Germanium, Cheng-Cheng Liu, Wanxiang Feng and Yugui Yao, Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011) SCI引用1894次；Low-energy effective Hamiltonian involving spin-orbit coupling in silicene and two-dimensional germanium and tin, Cheng-Cheng Liu, Hua Jiang and Yugui Yao, Phys. Rev. B 84, 195430 (2011) SCI引用988次】。

量子自旋霍爾絕緣體即二維的拓撲絕緣體是由時間反演對稱性保護的拓撲量子態，其體態是絕緣的，而邊界具有魯棒的金屬態，在低功耗器件、自旋電子學和拓撲量子計算等領域有著重要的應用價值。2011年姚裕貴團隊率先指出類石墨烯體系－硅烯、鍺烯、錫烯是二維拓撲絕緣體，并預言在該類二維材料中可在更高溫度下觀測到量子自旋霍爾效應【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，Phys. Rev. B 84, 195430 (2011)】，該工作開啟了在二維材料中設計及搜尋大能隙量子自旋霍爾絕緣體的先河。硅烯、鍺烯、錫烯具有與石墨烯類似的蜂窩狀結構，但存在起伏。與石墨烯相比，硅烯、鍺烯、錫烯具有更強的自旋軌道耦合、能隙易調節、谷自由度易極化、且與當代成熟的硅基半導體工藝兼容等優勢，預計在未來的自旋電子學和納米電子學器件等領域具有廣闊的應用前景。

在該工作中，研究人員利用低溫掃描隧道顯微鏡/掃描隧道譜、密度泛函理論和緊束縛計算來證明Ge₂Pt(101)上的外延鍺烯是一種具有起伏狀蜂窩結構的量子自旋霍爾絕緣體。在其量子自旋霍爾效應狀態下，鍺烯的拓撲特征在于存在體能隙和金屬性的拓撲邊緣態（圖1）。他們同時控制STM針尖到樣品隧道結中的內置電場以改變鍺烯的拓撲狀態：在臨界電場時，鍺烯的拓撲能隙會閉合，體系轉變為拓撲半金屬；而當電場超過臨界值時，鍺烯會打開拓撲平庸的帶隙，并伴隨著拓撲邊緣態的消失（圖2、圖3）。該工作給出了單元素量子自旋霍爾絕緣體中拓撲相變的第一個實驗證據。這種由電場引起的拓撲狀態切換和相當大的體能隙使鍺烯成為室溫拓撲晶體管的候選材料。

圖1. 鍺烯樣品形貌及其體能隙和拓撲邊緣態

圖2. 外電場調控鍺烯的體能隙的閉合和打來

圖3. 外電場誘導鍺烯的拓撲邊緣態可逆的消失和出現

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.196401

美國物理學會Physics網站對本工作進行專題評論報道：https://physics.aps.org/articles/v16/s66

早期理論工作鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.107.076802

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.84.195430