鍺烯是一種由單層鍺原子組成的二維材料，類似于石墨烯。鍺烯具有蜂窩狀的晶格結構，但是不同于石墨烯的是，鍺烯的原子有一定的凸起，形成了低屈曲的形態。這種凸起使得鍺烯具有較強的自旋軌道耦合：這是一種量子力學效應，描述了電子的自旋和軌道運動之間的相互作用。

什么是量子自旋霍爾效應？

量子自旋霍爾效應是一種拓撲絕緣體的特性，指的是一種材料在內部是絕緣的，但是在邊緣有導電的態。這些邊緣態具有特殊的性質，例如不受雜質或缺陷的影響，以及具有反向的自旋極化。這意味著電流在一個方向流動時，電子的自旋會指向另一個方向。量子自旋霍爾效應是一種拓撲效應，即它不依賴于材料的具體形狀或大小，而只取決于材料的拓撲不變量，這是一種描述材料電子結構全局特征的數學量。

鍺烯如何實現量子自旋霍爾效應？

在2023年5月12日發表在《物理評論快報》上的一篇論文中，來自荷蘭、中國和日本的科學家首次實驗證明了鍺烯是一種量子自旋霍爾絕緣體，并且可以通過外加垂直電場來調控其拓撲相變。他們使用了掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜來觀察和測量鍺烯在金屬銀基底上生長出來的蜂窩結構和電子態。他們發現，在沒有電場時，鍺烯具有一個較大的能隙即內部沒有導電態，但是在邊緣有兩條反向自旋極化的金屬態，表現出量子自旋霍爾效應。當他們施加一個臨界電場時，能隙關閉，鍺烯變成了一種狄拉克半金屬，即內部和邊緣都有導電態，并且呈現出線性色散關系。當他們進一步增加電場時，能隙重新打開，但是邊緣態消失了，鍺烯變成了一種普通絕緣體，失去了拓撲性質。

鍺烯有什么應用前景？

這項實驗展示了鍺烯作為一種單元素量子自旋霍爾絕緣體的潛力，并且證明了可以通過外加電場來實現拓撲相變和開關功能。這為未來設計基于拓撲材料的低能耗電子器件提供了可能性，例如拓撲場效應晶體管，它可以利用邊緣態來傳輸信息，并且不受散射或噪聲的干擾。此外，鍺烯還可以與其他二維材料組合形成異質結構，從而產生更多豐富和復雜的物理現象和功能。鍺烯作為一種新型拓撲材料，值得進一步深入探索和開發。