锗烯：一种可调控的量子自旋霍尔绝缘体

锗烯是一种由单层锗原子组成的二维材料，类似于石墨烯。锗烯具有蜂窝状的晶格结构，但是不同于石墨烯的是，锗烯的原子有一定的凸起，形成了低凸度的形态。这种凸起使得锗烯具有较强的自旋轨道耦合：这是一种量子力学效应，描述了电子的自旋和轨道运动之间的相互作用。

什么是量子自旋霍尔效应？

量子自旋霍尔效应是一种拓扑绝缘体的特性，指的是一种材料在内部是绝缘的，但是在边缘有导电的态。这些边缘态具有特殊的性质，例如不受杂质或缺陷的影响，以及具有反向的自旋极化。这意味着电流在一个方向流动时，电子的自旋会指向另一个方向。量子自旋霍尔效应是一种拓扑效应，即它不依赖于材料的具体形状或大小，而只取决于材料的拓扑不变量，这是一种描述材料电子结构全局特征的数学量。

锗烯如何实现量子自旋霍尔效应？

在2023年5月12日发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，来自荷兰、中国和日本的科学家首次实验证明了锗烯是一种量子自旋霍尔绝缘体，并且可以通过外加垂直电场来调控其拓扑相变。他们使用了扫描隧道显微镜和扫描隧道谱来观察和测量锗烯在金属银基底上生长出来的蜂窝结构和电子态。他们发现，在没有电场时，锗烯具有一个较大的能隙（，即内部没有导电态，但是在边缘有两条反向自旋极化的金属态，表现出量子自旋霍尔效应。当他们施加一个临界电场时，能隙关闭，锗烯变成了一种狄拉克半金属，即内部和边缘都有导电态，并且呈现出线性色散关系。当他们进一步增加电场时，能隙重新打开，但是边缘态消失了，锗烯变成了一种普通绝缘体，失去了拓扑性质。

锗烯有什么应用前景？

这项实验展示了锗烯作为一种单元素量子自旋霍尔绝缘体的潜力，并且证明了可以通过外加电场来实现拓扑相变和开关功能。这为未来设计基于拓扑材料的低能耗电子器件提供了可能性，例如拓扑场效应晶体管，它可以利用边缘态来传输信息，并且不受散射或噪声的干扰。此外，锗烯还可以与其他二维材料组合形成异质结构，从而产生更多丰富和复杂的物理现象和功能。锗烯作为一种新型拓扑材料，值得进一步深入探索和开发。