近日，材料学院施思齐教授团队的李杰副教授与美国加州大学尔湾分校的武汝前教授合作在国际著名期刊Nano Letters上发表题为“Electrically tunable topological phase transition in van der Waals heterostructures”的研究论文。李杰副教授是第一作者，武汝前教授为通讯作者。

自量子反常霍尔效应（QAHE）被发现以来，寻找具有较大能带带隙和稳健边缘态的磁性拓扑绝缘体就受到了极大的关注。虽然众多科研人员进行了广泛的研究，但是如何在实验中观察到QAHE到目前为止还是一个巨大的挑战。当前，磁性拓扑绝缘体的探索研究主要采用以下三种途径：拓扑绝缘体的磁性掺杂、利用具有固有磁性的拓扑绝缘体、通过界面效应磁化拓扑绝缘体。然而，它们都有各自的技术难题，比如磁性掺杂的不均匀性、原子层间可能存在的反铁磁耦合、较强的界面电荷转移及耦合对拓扑绝缘体表面态的破坏等。因此，如何克服这些技术难题进而在较高温度下观测到QAHE对磁性拓扑材料或器件的应用来说具有非常重要的意义。同时，对于磁性拓扑绝缘体在自旋电子学及量子信息等方面的应用来说，其中一个最为重要的问题是如何实现对其拓扑量子态的有效调控。当前，一些方法被提出和尝试，比如通过磁极化旋转、外加磁场、施加机械应力、外加电场等。其中，外加电场的方式具有可逆、低能耗且反应速率快等优点。因此，通过施加外电场来调控拓扑绝缘材料的拓扑特性是一个极具研究价值的科学问题。

图1. (a)超薄vdW异质结材料示意图；(b)(c)相应的能带结构及带隙随上下表面间电势差的演变过程；(d)固定磁性极化强度时，vdW异质结材料的拓扑相图（其中， V 和都是以为单位）。

李杰副教授通过采用有效哈密顿量模型，成功预测了当vdW异质结材料具有较强的磁性极化（）、较薄的厚度（较大的）、较大的自旋-轨道耦合强度（SOC）和平坦的界面等条件时，其可具备磁性拓扑特性，且相应的拓扑带隙随着外加电场的增大而逐渐减小直至关闭，当外电场大于阈值时其带隙会再次打开并伴随着拓扑相变的发生。

基于上述有效哈密顿量模型的预测，作者通过将两层Bi2Se3夹在两层MnBi2Se4间设计了如图2(a)所示的vdW异质结平台(MBS/2BS/MBS)。密度泛函理论(DFT)计算表明MBS/2BS/MBS在未加电场时，具有较大的拓扑带隙(24.3meV)、垂直面外的磁性极化及相对较高的居里温度(7.1K)，因而是一个可进一步探索研究电场调控磁性拓扑特性的良好平台。深入的计算显示外加电场可以有效的调控其拓扑带隙（如图2(b)的插图所示），对应的阈值电场约为0.06V/Å。当外加电场大于0.06V/Å时，随着其带隙再次被打开，相应的上下界面态出现反转，使其从拓扑绝缘体向一般绝缘体转变，即实现了外加电场对其拓扑相变的有效调控。相应的量子霍尔电导计算与一维MBS/2BS/MBS纳米带的边缘态变化（如图2(c)(d)所示）也进一步证实了其拓扑相变的发生。此外，作者还进一步探索了MBS/3BS/MBS、MBS/4BS/MBS与MBS/5BS/MBS。相对于较薄的MBS/2BS/MBS，它们具有更大的拓扑带隙，但只有MBS/2BS/MBS和MBS/3BS/MBS在外加电场的作用下表现出拓扑相变。主要原因是随着厚度的增加，上下界面态的耦合作用会变弱，进而无法再次打开其带隙。因此，对于实验上的进一步验证来说，MBS/2BS/MBS和MBS/3BS/MBS将是一个优秀的候选者。

图2. (a)(b) MBS/2BS/MBS的原子结构示意图与其能带结构（插图是其能带带隙随电场的变化趋势）；(c)(d) 一维MBS/2BS/MBS纳米带在0.0 V/Å及0.1 V/Å的电场下，能带结构及其左边缘态。

因为Bi2Se3和MnBi2Se4具有同源相似的vdW层状结构，所以高品质的MBS/2BS/MBS将会相对容易合成，而该工作中的理论预测在不久的将来可在大多数实验室中得到验证，会在量子反常霍尔效应等领域引起广泛的关注。

相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c04708