量子反常霍尔效应，指的是某一体系无需外加强磁场，就能够提供量子化、无耗散的霍尔电导。这一量子输运特性有望在拓扑量子计算、低能耗自旋电子学器件等方面展现巨大的应用潜力。最早人们通过磁掺杂拓扑绝缘体的思路实现了这一愿景，但需要非常低的温度，应用价值有限。进一二十年来，众多物理学家都在寻找更高温度的量子反常霍尔效应实现方案，理论和实验上都有一定的进展。理论上，可以存在一种二维材料本身就具有磁性并无需任何外部条件即可实现量子反常霍尔效应，这种材料被称之为量子反常霍尔效应绝缘体或Chern绝缘体，这也是最有前景的一种思路。近几年备受关注的MnBi2Te4体系是目前第一个实验实现的例子，但其实现零场量子反常霍尔效应的温度也在几K的超低温条件。 近日，我系王靖课题组理论预言一大类二维三元过渡金属硫化物材料为Chern绝缘体，研究表明这类材料性能相当优异，有望实现高温量子反常霍尔效应。该成果以“Monolayer V2MX4: A New Family of Quantum Anomalous Hall Insulators”为题，于2024年3月7日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letter）上。 图: (a)(b) 单层V2MX4体系的结构；(c) 布里渊区；(d)晶格场劈裂与电子填充 本工作中，该研究组提出了一大类三元过渡金属硫化物：单层V2MX4和Ti2WX4（M=W/Mo; X=S/Se）体系，十种拓扑非平庸材料中，有六种材料在计算上具备动力学稳定性、热稳定性。六种稳定材料具有本征铁磁性、高局里温度、拓扑非平庸能隙大等优秀性质。第一性原理计算表明，这一体系的铁磁局里温度在200-400 K左右，能在近室温条件下保障磁性，同时较强的磁各项异性能（MAE）也保证了拓扑非平庸能隙受磁振子激发影响小，加上其本身具有巨大的拓扑非平庸能隙（100-300 meV），这一体系有望在较高温度下实现Chern数-1的量子反常霍尔效应。该研究结合拓扑能带理论，通过紧束缚模型重构了第一性原理计算的结果，解释了其非平庸拓扑的起源，并指出这一体系的巨大拓扑能隙源于V/Ti原子与W/Mo原子的异自旋轨道间的深度能带反转和独特的自旋轨道耦合方式，相关的理论分析对后续类似的研究中也具有启发性。值得一提的是，相比起其他类似的二维Chern绝缘体预言工作，这类三元过渡金属硫化物优势在于结构简单，尤其是弱的层间van der Waals耦合的特性更容易被制备成二维样品。 图: 单层V2MS4的(a)(d) 能带；(b)(e)手征边缘态；(c)(f)量子化的霍尔电导 我系博士生蒋亚东为第一作者，我系教授王靖为通讯作者。该工作获得了复旦大学物理系，应用表面物理国家重点实验室，国家科技部，国家自然科学基金委，和上海市科委等的大力支持与资助。 文章信息：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.106602 Yadong Jiang, Huan Wang, Kejie Bao, Zhaochen Liu, Jing Wang. Phys. Rev. Lett 132, 106602 (2024)
