我院齐世飞教授与中国科技大学乔振华合作，基于补偿型n-p共掺方案，提出在石墨烯中实现量子反常霍尔效应的新策略。该成果于3月29日以“Realization of quantum anomalous Hall effect in graphene from n- p codoping-inducedstable atomic adsorption”为题发表于国际物理学杂志Phys. Rev. B (Rapid Communications)上。

量子反常霍尔效应是在零外磁场条件下产生的量子霍尔效应。近三年来，国内外的多个实验组在磁性掺杂拓扑绝缘体中（比如将Cr/V掺入Sb2Te3）已经观测到该效应，但都要求极低的实验实现温度（~30mK)，这一现状大大限制了该效应在新型电子器件上的潜在应用。石墨烯在工业上已经可以大面积制备，因此在石墨烯中实现量子反常霍尔效应将有非常广泛的应用前景，而必要的前提是在石墨烯中引入较强的自旋轨道耦合和铁磁性。在石墨烯上吸附过渡金属原子就是解决方案之一，以前的研究已经发现在石墨烯中不容易实现金属原子的分散性吸附；而在另外一种利用磁性绝缘体基底效应的方案中，由于磁性绝缘体与石墨烯的间距较大，导致近邻效应诱导的自旋轨道耦合作用极弱，从而打开的非平庸体能隙也很小。

图：硼/镍共掺的石墨烯体系能带、贝里曲率以及体系费米面，能隙大小以及铁磁居里转变温度等性质对掺杂浓度的依赖关系

受到团队之前在石墨烯中利用n-p电荷补偿共掺方案实现稀铁磁石墨烯[Carbon61, 609 (2013)]，以及在拓扑绝缘体中引入n-p电荷补偿共掺杂实现高温量子反常霍尔效应的启发[PRL 117, 056804 (2016)]。我们认为n-p共掺杂是一种有效的在石墨烯中引入较强自旋轨道耦合作用和稳定铁磁序的可行方案。我们详细研究了这种共掺杂方法在过渡金属原子分散分布下的磁性特征，发现大部分过渡金属原子磁有序状态随距离的依赖关系呈现与RKKY效应类似的变化关系。但是只有金属矾及金属镍在与硼共掺的石墨烯体系中能表现出长程铁磁有序，使得这两种体系实现量子反常霍尔效应的潜质。在进一步的研究中，我们分析了这两种过渡金属原子吸附体系的能带结构和贝利曲率，发现了硼/镍共掺的石墨烯体系可以实现量子反常霍尔效应，并为实验研究指出了如何通过掺杂浓度来调节体系的费米面，能隙大小以及铁磁居里转变温度的依赖关系。

论文：Phys. Rev. B 95, 121410(R)

链接：http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.95.121410