近日，材料學院施思齊教授團隊的李傑副教授與美國加州大學爾灣分校的武汝前教授合作在國際著名期刊Nano Letters上發表題為“Electrically tunable topological phase transition in van der Waals heterostructures”的研究論文🦶🏽。李傑副教授是第一作者，武汝前教授為通訊作者👩🏻‍🚒。

自量子反常霍爾效應（QAHE）被發現以來，尋找具有較大能帶帶隙和穩健邊緣態的磁性拓撲絕緣體就受到了極大的關註🧐。雖然眾多科研人員進行了廣泛的研究，但是如何在實驗中觀察到QAHE到目前為止還是一個巨大的挑戰👨‍🦲。當前🖍，磁性拓撲絕緣體的探索研究主要采用以下三種途徑：拓撲絕緣體的磁性摻雜👨🏻‍🍼、利用具有固有磁性的拓撲絕緣體、通過界面效應磁化拓撲絕緣體。然而，它們都有各自的技術難題，比如磁性摻雜的不均勻性🧔🏿‍♀️、原子層間可能存在的反鐵磁耦合、較強的界面電荷轉移及耦合對拓撲絕緣體表面態的破壞等。因此，如何克服這些技術難題進而在較高溫度下觀測到QAHE對磁性拓撲材料或器件的應用來說具有非常重要的意義。同時，對於磁性拓撲絕緣體在自旋電子學及量子信息等方面的應用來說，其中一個最為重要的問題是如何實現對其拓撲量子態的有效調控。當前，一些方法被提出和嘗試，比如通過磁極化旋轉、外加磁場、施加機械應力、外加電場等。其中🧈，外加電場的方式具有可逆🧗🏼、低能耗且反應速率快等優點。因此，通過施加外電場來調控拓撲絕緣材料的拓撲特性是一個極具研究價值的科學問題👩🏼‍🦰。

圖1. (a)超薄vdW異質結材料示意圖🦥；(b)(c)相應的能帶結構及帶隙隨上下表面間電勢差的演變過程；(d)固定磁性極化強度時，vdW異質結材料的拓撲相圖（其中，V和

都是以

為單位）𓀖。

李傑副教授通過采用有效哈密頓量模型👨🏻‍🦰，成功預測了當vdW異質結材料具有較強的磁性極化（

）、較薄的厚度（較大的

）、較大的自旋-軌道耦合強度（SOC）和平坦的界面等條件時，其可具備磁性拓撲特性📯，且相應的拓撲帶隙隨著外加電場的增大而逐漸減小直至關閉，當外電場大於閾值時其帶隙會再次打開並伴隨著拓撲相變的發生✋🏻👭🏻。

基於上述有效哈密頓量模型的預測🧑🏻‍🦼，作者通過將兩層Bi2Se3夾在兩層MnBi2Se4間設計了如圖2(a)所示的vdW異質結平臺(MBS/2BS/MBS)。密度泛函理論(DFT)計算表明MBS/2BS/MBS在未加電場時，具有較大的拓撲帶隙(24.3meV)、垂直面外的磁性極化及相對較高的居裏溫度(7.1K)🚴‍♀️，因而是一個可進一步探索研究電場調控磁性拓撲特性的良好平臺📥。深入的計算顯示外加電場可以有效的調控其拓撲帶隙（如圖2(b)的插圖所示）🤸🏻，對應的閾值電場約為0.06V/Å🐈‍⬛。當外加電場大於0.06V/Å時，隨著其帶隙再次被打開，相應的上下界面態出現反轉😲，使其從拓撲絕緣體向一般絕緣體轉變🚴🏽‍♂️，即實現了外加電場對其拓撲相變的有效調控🍴。相應的量子霍爾電導計算與一維MBS/2BS/MBS納米帶的邊緣態變化（如圖2(c)(d)所示）也進一步證實了其拓撲相變的發生。此外，作者還進一步探索了MBS/3BS/MBS、MBS/4BS/MBS與MBS/5BS/MBS🧝‍♀️。相對於較薄的MBS/2BS/MBS，它們具有更大的拓撲帶隙，但只有MBS/2BS/MBS和MBS/3BS/MBS在外加電場的作用下表現出拓撲相變。主要原因是隨著厚度的增加，上下界面態的耦合作用會變弱🍋‍🟩，進而無法再次打開其帶隙。因此🧑‍🚀，對於實驗上的進一步驗證來說，MBS/2BS/MBS和MBS/3BS/MBS將是一個優秀的候選者🧑‍🦲。

圖2. (a)(b) MBS/2BS/MBS的原子結構示意圖與其能帶結構（插圖是其能帶帶隙隨電場的變化趨勢）🫓🤵；(c)(d)一維MBS/2BS/MBS納米帶在0.0 V/Å及0.1 V/Å的電場下🎲，能帶結構及其左邊緣態🍋‍🟩🚤。

因為Bi2Se3和MnBi2Se4具有同源相似的vdW層狀結構，所以高品質的MBS/2BS/MBS將會相對容易合成，而該工作中的理論預測在不久的將來可在大多數實驗室中得到驗證🚙，會在量子反常霍爾效應等領域引起廣泛的關註。

相關論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c04708