超硬材料網(wǎng)

       拓撲絕緣體的邊緣狀態(tài)可用于探索低維和拓撲界面上出現(xiàn)的基礎科學。然而，對于螺旋邊緣狀態(tài)而言，實現(xiàn)穩(wěn)健的電導量化已被證明具有挑戰(zhàn)性。

       在此，美國賓夕法尼亞州立大學Jun Zhu教授展示了扭結狀態(tài)下的寬電阻平臺——伯納爾雙層石墨烯中量子谷霍爾效應的表現(xiàn)——在零磁場下量化為預測值。平臺電阻的溫度依賴性非常弱，最高可達50開爾文，并且在數(shù)十毫伏的直流偏置窗口內(nèi)保持平坦。我們展示了拓撲控制開關的電氣操作，其開/關比為200。這些結果證明了扭結狀態(tài)的穩(wěn)健性和可調(diào)諧性，以及其在構建電子量子光學設備方面的前景。相關研究成果以題為“High-temperature quantum valley Hall effect with quantized resistance and a topological switch”發(fā)表在最新一期《Science》上。Ke Huang為本文第一作者。

       / 創(chuàng)新器件設計與制造 /

       該結構采用石墨/六方氮化硼(h-BN)堆棧作為全局柵極。這種設計對于調(diào)節(jié)雙層石墨烯中扭結態(tài)的費米能級至關重要。傳統(tǒng)器件使用摻雜的Si/SiO2堆疊，這會引入潛在的無序。通過利用干范德華轉(zhuǎn)移、退火和反應離子蝕刻，研究人員創(chuàng)造了一個更清潔的環(huán)境，顯著減少了無序并提高了器件性能。所提供的SEM和AFM圖像描述了這種細致的制造過程，展示了分裂柵極的精確尺寸和干凈的表面。

圖1. 雙層石墨烯中的量子谷霍爾扭結態(tài)

       / 零磁場下的電阻量子化 /

       本文強調(diào)了在沒有外部磁場的情況下電阻的量子化。通過調(diào)整全局柵極電壓，費米能級位于僅存在扭結態(tài)的能隙內(nèi)，從而形成平坦的電阻平臺。電阻值與理論值非常吻合，體現(xiàn)了精確的量化。這種水平的電阻量子化以前僅在磁場下的手性邊緣態(tài)中觀察到，強調(diào)了QVH扭結態(tài)在量子傳輸應用中的魯棒性和潛力。

圖2. 扭結態(tài)的電阻量子化

       / 扭結態(tài)的溫度依賴性 /

       扭結態(tài)的溫度依賴性是該研究的一個重要方面。研究人員發(fā)現(xiàn)，結電阻在低溫下保持穩(wěn)定，即使溫度升高，其變化也很小。這種行為是拓撲邊緣狀態(tài)的標志。仿真支持的實驗數(shù)據(jù)表明，扭結態(tài)不受高達50K的聲子輔助反向散射的影響。這種高水平的溫度獨立性使QVH扭結態(tài)成為在相對較高溫度下運行的實用量子器件的有希望的候選者。

圖3. 結電阻的溫度依賴性。

       / DC 偏置依賴性和能帶結構見解 /

       作者探索了扭結態(tài)的直流偏置依賴性，揭示了微分電導在低偏置下保持平坦，并在超過某個閾值后急劇增加。該閾值隨著施加的電位移場而增加，表明納米帶結中存在干凈且明確的帶隙。起始偏差對位移場的線性依賴性與能帶結構模擬一致，進一步驗證了實驗觀察。

圖4. 扭結態(tài)的直流偏置依賴性

       / 拓撲相變控制開關 /

       該研究最具創(chuàng)新性的方面之一是拓撲開關的演示。可以使用電場打開和關閉扭結狀態(tài)，從而實現(xiàn)拓撲狀態(tài)和普通絕緣狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。該開關通過相變而不是載流子濃度的變化來工作，從而提供了一種根本不同且可能更有效的電子開關方法。該開關的可重復性和魯棒性以及大約200的開/關比，凸顯了其集成到量子電子電路中的潛力。

圖5.拓撲相變控制開關

       / 總結 /

       該研究呈現(xiàn)出量子材料領域的突破性進展，特別是在雙層石墨烯方面。QVH扭結態(tài)在零磁場和高溫下的量子化電阻，加上創(chuàng)新的拓撲開關，為開發(fā)片上量子電子器件開辟了新途徑。該研究強調(diào)了清潔材料制造的重要性，并表明進一步減少缺陷和雜質(zhì)態(tài)可以進一步提高這些器件的性能。未來的研究可以探索將扭結態(tài)集成到量子互連網(wǎng)絡中及其與超導的耦合，旨在實現(xiàn)長距離量子信息傳輸和相位相干傳輸。