外场作用下碳单层类材料中电子性质的拓扑反常

Field-modulated quantum phase transition provides an efficient way to realize design and application of quantum devices with high-performance and multifunction. Graphene-like materials constructed of carbon, silicon or molybdenum disulfide have recently become a focus of frontier research areas of physics and materials. Such materials exhibit topologically nontrivial properties different from traditional materials and provide a broad application prospect for designing new solid-state quantum devices with low-power consumption. Based on the most recent reports of experimental and theoretical research progress, this project aims to study new mechanisms and characteristics of anomalous topological quantum phase transitions induced by combined effects of electric fields, tensile strain fields and polarized optical fields, in the proximity of substrates with strong spin-orbit coupling, ferromagnetic or antiferromagnetic, or superconducting materials. Further task of this project is to reveal new methods of effectively controlling topological electronic properties and provide theoretical basis for designing topological quantum devices with high performance and low-energy consumption.

外场调控量子相变是实现高性能多功能量子器件设计及其应用的一种有效途径。碳、硅、二硫化钼等构成的碳单层（Graphene）类二维六角晶体材料是近年来物理和材料科学前沿研究领域重点关注的对象之一，表现出许多异于常规材料的拓扑上非平庸的性质，为设计低功耗的新型固态量子器件提供了广阔的应用前景。基于近期实验和理论对碳单层类材料的研究进展报道，本项目拟研究碳单层类材料在强自旋轨道耦合、铁磁或反铁磁、超导等材料衬底的临近作用下，通过电场、拉伸应变场以及偏振光场等外场协同作用来诱导电子性质发生反常拓扑量子相变，探讨其产生的新机制和新特征；进一步揭示在外场作用和量子尺寸受限的情况下有效控制电子拓扑性质的新途径，为设计高性能低功耗的拓扑型量子器件提供理论依据。

双层石墨、硅烯、锗烯等碳单层类材料具有相似的二维六角晶体结构，其电子融合了电荷、自旋及能谷等多重自由度，是近十年来凝聚态物理学和材料科学领域重点关注的研究对象之一，被认为是实现新型二维低功耗固态量子器件的有效候选。与项目计划一致，我们主要研究了碳单层类材料中电子的拓扑相变及其相界附新奇的量子输运特性，重要成果包括：（1）基于单层石墨因内禀自旋轨道耦合作用太弱很难观测到量子自旋Hal效应，我们提出弱Rashba自旋轨道耦合作用下介电夹层的双层石墨材料支持量子自旋Hall绝缘体相、量子能谷Hall绝缘体相等拓扑相的存在 （PRB, 2016）；（2）利用拓扑相变过程中相界附近能隙打开和关闭的特点，我们通过发展传统的电荷和自旋二极管的概念论证了“双极型自旋-能谷二极管”这一新概念在硅烯、锗烯系统中如何实现 （APL, 2016）；（3）在可调相界附近，我们证明了一系列与能谷自由度相关的新奇热电现象，包括能谷Seebeck效应的实现及其与自旋Seebeck效应的相互转换和并存 （RPB, 2016；NJP, 2017），能谷锁定的自旋Seebeck效应（PRB, 2018）等。我们的这些研究结果深入挖掘了碳单层类材料在未来量子元器件的开发设计及应用中潜在的应用价值，完成了合同规定的内容和指标，申请结题。