东北大学理学院量子材料研究组在Nano Letters发表关于量子层霍尔效应的重要进展

近日，理学院物理系量子材料研究组在层霍尔效应领域取得重要进展。研究成果以“Quantum Anomalous Layer Hall Effect in Realistic van der Waals Heterobilayers”为题发表在美国化学学会期刊Nano Letters上。东北大学博士研究生田渝萍同学为论文第一作者，公卫江教授和孔祥儒副教授为共同通讯作者，东北大学为唯一通讯单位。

研究组通过分析双轴应变下范德华双层磁性材料的低能有效模型，首次在谷电子材料中预测了量子反常层霍尔效应（QALHE）。范德华异质结双层中的自旋层锁定边缘态和Chern数导致特定层中的无耗散电流，实现了异质双层中长期寻求的QALHE。施加双轴应变，可以转换异质双层体系中边缘态和Chern数的手性。作者在一系列实际的谷电子材料中验证了这一机制，包括VSi₂N₄/VSiCN₄和RuCl₂/FeCl₂异质双层。这项研究工作揭示了一种实现QALHE的新机制，在自旋电子学和量子层电子学中具有广阔的应用前景。

拓扑绝缘体在凝聚态物理中开辟了新领域，并扩展了霍尔效应的种类。拓扑绝缘体中无耗散的边缘态非常稳定，不容易受外界杂质等因素影响，能够推动未来纳米器件和量子计算领域的发展。其中，量子反常霍尔效应（QAHE）作为一类重要的拓扑相，在实验中实现仍然存在很多挑战。范德瓦尔斯层状材料中的层指数作为新量子数，也能够独立标记层相关的电子态。层间的范德华耦合类似自旋轨道耦合，使层自由度成为良好的赝自旋指数。QALHE使得QAHE与层自由度耦合，并能够在外场调控下发生层之间的转换。本研究预测了VSi₂N₄/VSiCN₄和RuCl₂/FeCl₂反铁磁双层材料中量子反常层霍尔效应（QALHE）的物理机制和发生条件，有力地推动了自旋电子学、量子层电子学和量子器件设计领域的进展。

图注(a) 双轴应变下范德瓦尔斯异质双层体系的能带和Berry曲率示意图；(b) 双轴应变诱导的QALHE示意图