Advanced Quantum Technologies: 量子自旋霍尔效应

量子霍尔效应家族,包含量子霍尔效应、量子反常霍尔效应和量子自旋霍尔效应。这些效应存在于二维电子系统中,材料的中心绝缘但边缘导电,有可能应用到未来的新型电子器件中。其中,量子霍尔效应实现于1980年,其边缘态是手性的(chiral),即在样品边缘,电子只能沿着某个方向运动,而无反方向运动的通道。这种单向传播的特性,使得电子沿边缘的传播是无耗散的,为精确操控电子以及制备低耗散电子器件提供了可能。然而,量子霍尔效应的实现需要较强的磁场,不利于日常应用。量子反常霍尔效应,则可在无外加磁场的情况下,实现与量子霍尔效应类似的边缘态。然而,量子反常霍尔效应目前只能在极低的温度下实现,也限制了其进一步的应用。量子自旋霍尔效应也是零磁场的情况下,实现了绝缘的体态和无耗散的边缘态,当前已可以在液氮温度观测到这一效应。量子自旋霍尔效应的边缘态并不是手性的,而是螺旋性的(helical),即边缘的电子沿正反方向均可运动,两个运动方向上的电子“自旋”相反(在量子自旋霍尔效应的体系中,由于存在自旋轨道耦合,自旋与载流子运动方向有锁定关系)。

在量子自旋霍尔效应中,边缘态的无耗散受到对称性的保护。常规的量子自旋霍尔效应中,外加磁场为零,两条边缘态在时间反演对称性下互为镜像。两条边缘态之间的散射也因为这种对称性而消失,使得边缘态并不会因为耦合而打开能隙,电子在边缘态中可以无耗散的运动。不仅如此,量子自旋霍尔效应也为实现马约拉纳费米子提供了一个可能的平台,在量子计算领域有着潜在应用前景。将量子自旋霍尔效应从二维扩展到三维,亦发展出了拓扑绝缘体这一欣欣向荣、飞速发展的领域。近日,北京大学国际量子材料中心研究的陈剑豪小组,在Advanced Quantum Technologies上发表了一篇综述文章《Quantum Spin Hall Materials》(DOI:10.1002/qute.201900026)。该文章从材料的角度出发,介绍了量子自旋霍尔效应领域的实验进展。

在半导体异质结中,现已在CdTe-HgTe-CdTe量子阱、AlSb-InAs-GaSb-AlSb量子阱中观测到了量子自旋霍尔效应。二维材料领域中,单层1T’相的过渡金属硫族化合物被预言能够实现量子自旋霍尔效应。目前,仅在单层的WTe2中观测并证实了这一效应。在这三种材料中,量子自旋霍尔效应的证据较为充足,能够断定体态是绝缘的、边缘态是helical的,电导平台对磁场和器件结构的响应也都符合量子自旋霍尔效应的预言。其他的材料尚未观测到量子自旋霍尔效应决定性的证据。在理论计算中,Na3Bi和SiC基底上的铋烯能够实现量子自旋霍尔效应。实验上,通过电镜可以确认他们是体态绝缘、边缘导电的。而边缘态是否为量子自旋霍尔效应的边缘态,还需要实验的进一步验证。石墨烯纳米带也被预言可以实现量子自旋霍尔效应,但是由于石墨烯的自旋轨道耦合太小,实验上无法证实。加强自旋轨道耦合是一条实现这一类量子自旋霍尔效应的思路。当前的实验中,实验上合成了硅烯、锗烯和锡烯,也尝试了在石墨烯上添加铱原子、WSe2薄层等,均未发现量子自旋霍尔效应的证据。

在打破时间反演对称性的情况下,也可以得到helical的边缘态。为了保持边缘态的电子依旧可以无耗散传输,需要另一种对称性保护。比如在FeSe/STO结构中,虽然时间反演对称性被打破,但是时间反演与晶格平移对称性的结合可以代替时间反演对称性的作用。此外,石墨烯量子霍尔边缘态也可以用于构建helical边缘态。为了保护边缘态,可以在石墨烯面内加非常大的磁场,也可以将两个方向的边缘态分开放在不同层的石墨烯中。

总之,量子自旋霍尔态是一种新奇的、可能应用在未来信息技术上的量子物态,此领域受到科学技术界广泛的关注。预计在不久的将来,量子自旋霍尔效应的研究将获得更多重大突破。