近日，物理学系青蓝学者薛凤博士在《Physical Review B》上发表以“Valley-dependent multiple quantum states and topological transitions in germanene-based ferromagnetic van der Waals heterostructures”为题的研究成果。薛凤博士和清华大学物理系徐勇教授为该论文的通讯作者。
拓扑材料和谷电子学材料因其独特的性质在自旋电子学和量子应用中展现出巨大的前景，特别是在低能耗和高效能量传输器件的开发方面。尽管如此，在单一材料中实现多种量子态以及在不同量子态之间进行调控仍然是科学研究中的一大挑战。通过第一性原理的计算，本研究发现锗烯与铁磁材料（如MnBi2Te4家族单层）结合后，可以表现出量子反常霍尔效应（QAHE）、量子谷霍尔效应（QVHE）、谷极化量子反常霍尔效应（VP-QAHE）和时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应（T-broken QSHE）等多种量子态（图1）。这些量子态之间的相变可以通过改变磁化方向来实现，展示了在各种量子态之间进行调控的可能性，提供了新的材料平台和方法。
图1. (a) XBT/Ge (X = Mn, V, Ni)范德瓦尔斯异质结构的晶体结构。
(b) XBT/Ge和XBT/Ge/YBT异质结构的第一布里渊区，其中K和K'点用绿色点标记。
(c) 具有单个谷依赖手性边缘态的谷极化量子反常霍尔效应（VP-QAHE）示意图。
(d) 无P对称性的锗基铁磁异质结中的拓扑相变示意图，其中实心双向箭头表示两个不同量子态之间的相变，虚线双向箭头表示系统在磁化翻转过程中量子态保持不变。
该工作得到了国家科技部（2023YFA1406400）、国家自然科学基金委基础科学研究中心（51788104）、国家杰出青年科学基金（12025405）、中国博士后科学基金（2023M741388）、北京未来芯片高级创新中心以及北京材料基因工程高级创新中心等项目单位的支持。在加州大学欧文分校的工作得到了美国能源部基础能源科学（DE-FG02-05ER46237）的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1103/physrevb.109.195147