高溫量子谷霍爾效應(yīng)（QVHE）與量子化電阻和拓?fù)溟_關(guān)代表了凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的重大進(jìn)展。這一現(xiàn)象在伯納爾雙層石墨烯中被觀察到，展示了拓?fù)洹⒘孔恿W(xué)和材料特性在高溫下的相互作用。

引言

量子谷霍爾效應(yīng)（QVHE）是二維材料中拓?fù)洮F(xiàn)象的表現(xiàn)，特別是在具有破缺反演對(duì)稱性的系統(tǒng)中。與需要強(qiáng)磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)不同，QVHE可以在零磁場(chǎng)下發(fā)生，使其在設(shè)備應(yīng)用中更具實(shí)用性。最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志的一篇論文，在伯納爾雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了具有量子化電阻和拓?fù)溟_關(guān)的高溫QVHE，標(biāo)志著該領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。

量子谷霍爾效應(yīng)

QVHE源于某些二維材料（如石墨烯）中的谷自由度。在這些材料中，電子可以占據(jù)動(dòng)量空間中的不同能量谷。當(dāng)反演對(duì)稱性被破壞時(shí)，會(huì)出現(xiàn)谷依賴的霍爾電導(dǎo)率，從而導(dǎo)致QVHE。這一效應(yīng)的特征是存在由谷指數(shù)保護(hù)的邊緣態(tài)，導(dǎo)致材料邊緣的無耗散傳輸。

伯納爾雙層石墨烯

伯納爾雙層石墨烯是一種具有特定堆疊順序的石墨烯，是研究QVHE的理想平臺(tái)。在這種材料中，施加垂直于層的電場(chǎng)會(huì)破壞反演對(duì)稱性，誘導(dǎo)帶隙并實(shí)現(xiàn)QVHE。伯納爾雙層石墨烯中的邊緣態(tài)，稱為拐角態(tài)，表現(xiàn)出量子化電阻，這是拓?fù)浔Ｗo(hù)的標(biāo)志。

高溫QVHE

實(shí)現(xiàn)高溫下具有穩(wěn)健量子化電阻的QVHE是實(shí)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)之一。最近的實(shí)驗(yàn)表明，在伯納爾雙層石墨烯中，QVHE可以在高達(dá)50開爾文的溫度下維持，且在零磁場(chǎng)下電阻平臺(tái)量子化到預(yù)測(cè)值。這種高溫穩(wěn)定性對(duì)于將基于QVHE的設(shè)備集成到實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要。

量子化電阻

QVHE中的量子化電阻是邊緣態(tài)拓?fù)湫再|(zhì)的直接結(jié)果。這些態(tài)對(duì)反向散射免疫，導(dǎo)致精確的電阻量子化。在伯納爾雙層石墨烯中，電阻平臺(tái)在幾十毫伏的直流偏置窗口內(nèi)非常平坦，表明邊緣態(tài)的穩(wěn)健性。這種量子化對(duì)于開發(fā)利用QVHE的可靠電子設(shè)備至關(guān)重要。

拓?fù)溟_關(guān)

拓?fù)溟_關(guān)是一種可以在不同拓?fù)湎嘀g切換的設(shè)備，有效地控制材料的電子特性。在高溫QVHE的背景下，通過操縱施加于伯納爾雙層石墨烯的電場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)拓?fù)溟_關(guān)。該開關(guān)表現(xiàn)出200的開/關(guān)比，展示了其實(shí)際應(yīng)用的潛力。電控拓?fù)湎嘧兊哪芰樵O(shè)計(jì)具有可編程特性的量子設(shè)備開辟了新的可能性。

應(yīng)用與未來方向

具有量子化電阻和拓?fù)溟_關(guān)的高溫QVHE在量子計(jì)算、電子學(xué)和自旋電子學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。穩(wěn)健的邊緣態(tài)可用于構(gòu)建電子量子光學(xué)設(shè)備，其中精確控制電子傳輸至關(guān)重要。此外，拓?fù)溟_關(guān)為設(shè)計(jì)可重構(gòu)電子電路提供了新的范式，這些電路可以根據(jù)需求適應(yīng)不同的功能。

未來的研究可能會(huì)集中在進(jìn)一步提高QVHE的工作溫度，探索具有類似特性的其他材料，并將這些現(xiàn)象集成到可擴(kuò)展的設(shè)備架構(gòu)中。QVHE中拓?fù)?、量子力學(xué)和材料科學(xué)的相互作用將繼續(xù)激發(fā)新的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新。

結(jié)論

在伯納爾雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)的具有量子化電阻和拓?fù)溟_關(guān)的高溫量子谷霍爾效應(yīng)代表了凝聚態(tài)物理的重大突破。這一現(xiàn)象不僅加深了我們對(duì)拓?fù)鋺B(tài)物質(zhì)的理解，也為量子設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。隨著研究的進(jìn)展，利用QVHE在現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的潛力變得越來越可行，預(yù)示著量子力學(xué)和材料科學(xué)將融合在一起，革新電子學(xué)及其他領(lǐng)域的未來。