北京理工大学物理学院博士生刘一辰、刘铖铖教授和姚裕贵教授与合作者，包括荷兰特文特大学Pantelis Bampoulis、Harold J.?W. Zandvliet教授及日本东京大学Motohiko Ezawa教授，实验观测到了锗烯中的量子自旋霍尔态及拓扑相变。该成果5月12日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上，并被选为该期的封面文章(Cover)和编辑推荐(Editors' Suggestion)，同时也被美国物理学会Physics网站专题评论报道。该工作证实了姚裕贵团队12年前的理论预言【Quantum Spin Hall Effect in Silicene and Two-Dimensional Germanium, Cheng-Cheng Liu, Wanxiang Feng and Yugui Yao, Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011) SCI引用1894次；Low-energy effective Hamiltonian involving spin-orbit coupling in silicene and two-dimensional germanium and tin, Cheng-Cheng Liu, Hua Jiang and Yugui Yao, Phys. Rev. B 84, 195430 (2011) SCI引用988次】。
量子自旋霍尔绝缘体即二维的拓扑绝缘体是由时间反演对称性保护的拓扑量子态，其体态是绝缘的，而边界具有鲁棒的金属态，在低功耗器件、自旋电子学和拓扑量子计算等领域有着重要的应用价值。2011年姚裕贵团队率先指出类石墨烯体系－硅烯、锗烯、锡烯是二维拓扑绝缘体，并预言在该类二维材料中可在更高温度下观测到量子自旋霍尔效应【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，Phys. Rev. B 84, 195430 (2011)】，该工作开启了在二维材料中设计及搜寻大能隙量子自旋霍尔绝缘体的先河。硅烯、锗烯、锡烯具有与石墨烯类似的蜂窝状结构，但存在起伏。与石墨烯相比，硅烯、锗烯、锡烯具有更强的自旋轨道耦合、能隙易调节、谷自由度易极化、且与当代成熟的硅基半导体工艺兼容等优势，预计在未来的自旋电子学和纳米电子学器件等领域具有广阔的应用前景。
在该工作中，研究人员利用低温扫描隧道显微镜/扫描隧道谱、密度泛函理论和紧束缚计算来证明Ge2Pt(101)上的外延锗烯是一种具有起伏状蜂窝结构的量子自旋霍尔绝缘体。在其量子自旋霍尔效应状态下，锗烯的拓扑特征在于存在体能隙和金属性的拓扑边缘态（图1）。他们同时控制STM针尖到样品隧道结中的内置电场以改变锗烯的拓扑状态：在临界电场时，锗烯的拓扑能隙会闭合，体系转变为拓扑半金属；而当电场超过临界值时，锗烯会打开拓扑平庸的带隙，并伴随着拓扑边缘态的消失（图2、图3）。该工作给出了单元素量子自旋霍尔绝缘体中拓扑相变的第一个实验证据。这种由电场引起的拓扑状态切换和相当大的体能隙使锗烯成为室温拓扑晶体管的候选材料。
图1. 锗烯样品形貌及其体能隙和拓扑边缘态
图2. 外电场调控锗烯的体能隙的闭合和打来
图3. 外电场诱导锗烯的拓扑边缘态可逆的消失和出现
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.196401
美国物理学会Physics网站对本工作进行专题评论报道：https://physics.aps.org/articles/v16/s66
早期理论工作链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.107.076802
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.84.195430
