研究发现量子霍尔态界面电荷序调控新机制

来源：中国科学报

本报讯（记者李清波）近日，山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室教授韩拯课题组实现了一种垂直电场调控的准二维界面局域电子态，通过库仑相互作用对石墨烯自身能带产生有效调控，并在磁场下呈现新奇量子霍尔态。研究成果发表于《自然-纳米技术》。

量子霍尔边界态理论上可构建手性超导等新型量子激发态系统，是一种重要的拓扑电子态。除本征属性外，量子霍尔效应在很大程度上会受到衬底材料对其电子掺杂乃至电子结构调控的影响。

该研究发现，石墨烯与一氯一氧化铬垂直复合系统中的界面准二维电子态自发对称破缺，并趋于形成波长在数纳米至数十纳米的电荷序。

这种长程序超周期能够进一步加强石墨烯电子自身的电子关联，使得电中性点附近的狄拉克电子费米速度大幅增加并打开带隙，体现为狄拉克锥“变尖”的能带重构。

值得一提的是，在这个界面耦合量子霍尔边界态相中，横向电导量子化可以在很小磁场中发生，并且该行为可维持到液氮温度以上，具有极强的鲁棒性。例如，77K温度下，该体系实现±2填充系数的横向电导量子化平台所需磁场可低至350mT（该磁场强度可由一般永磁体提供），而传统石墨烯的量子化电导需要10T以上磁场才能获得。这使量子化电导边界态在诸如拓扑超导、量子霍尔法珀干涉等未来电子学应用方面，从液氦温区向液氮温区迈出了关键一步。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01248-4

《中国科学报》 (2022-12-29 第1版 要闻)