山西大學發現量子霍爾態的界面電荷序調控新機制

近日，山西大學光電研究所量子光學與光量子器件國家重點實驗室韓拯教授課題組實現了一種垂直電場調控的準二維界面局域電子態，進而通過庫倫相互作用對石墨烯自身能帶產生有效調控并在磁場下呈現新奇量子霍爾態。研究以“石墨烯中量子霍爾相的界面電荷耦合操控”（Quantum Hall phase in graphene engineered by interfacial charge coupling）為題，發表于《自然-納米技術》(Nature Nanotechnology)。

量子霍爾邊界態（Quantum Hall Edge States，QHE）理論上可構建手性超導等新型量子激發態系統，是一種重要的拓撲電子態。除本征屬性外，量子霍爾效應在很大程度上還會受到襯底材料對其電子摻雜乃至電子結構調控的影響。

該研究發現石墨烯與一氯一氧化鉻（CrOCl）垂直復合系統中的界面準二維電子態自發對稱破缺，并趨于形成波長在數納米至數十納米范圍內的電荷序。這種長程序超周期能夠進一步加強石墨烯電子自身的電子關聯，使得電中性點附近的狄拉克電子費米速度大幅增加并且打開帶隙，體現為狄拉克錐“變尖”的能帶重構。

值得一提的是，在這個界面耦合量子霍爾邊界態相中，橫向電導量子化可以在很小的磁場下發生，并且該行為可維持到液氮溫度以上，具有極強的魯棒性。例如，77K溫度下，本體系實現±2填充系數的橫向電導量子化平臺所需要的磁場可低至350mT（該磁場強度由一般永磁體即可提供），而傳統石墨烯的量子化電導在77K則需要10T以上磁場才能獲得。這使量子化電導邊界態在諸如拓撲超導、量子霍爾法珀干涉等未來電子學應用方面從液氦溫區向液氮溫區邁出了關鍵一步。

該研究工作由山西大學光電研究所與上海科技大學、北京大學、中科院半導體所、中國科學院大學、日本國立材料科學研究所、沈陽材料科學國家研究中心、遼寧材料實驗室等國內外多家單位合作完成，得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃青年項目、山西省“1311”工程、教育部“部省合建”重點高校項目、山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室等支持。