石墨烯基二维异质结构中的狄拉克-拉什巴费米子与量子谷霍尔绝缘体研究

本研究针对石墨烯自旋轨道耦合(SOC)较弱的问题，通过构建石墨烯与过渡金属二硫族化物(TMDs)异质结构，首次揭示了狄拉克-拉什巴(DR)费米子系统的形成机制，并证实了量子谷霍尔效应(QVHE)的普适性。研究人员采用第一性原理计算与有效低能模型相结合的方法，发现WSe2/石墨烯和MoSe2/石墨烯/WSe2异质结构具有0.1-0.5 meV带隙和0.4 eV宽线性色散窗口，为自旋电子学器件设计提供了新思路。

　　

在二维材料研究领域，石墨烯因其独特的狄拉克锥能带结构成为研究相对论性电子的理想平台。然而，石墨烯固有的微弱自旋轨道耦合(SOC)严重限制了其在自旋电子学中的应用。与此同时，过渡金属二硫族化物(TMDs)如MoSe₂和WSe₂展现出强SOC特性，但缺乏石墨烯的优异载流子迁移率。如何通过材料设计整合两者的优势，成为突破现有技术瓶颈的关键科学问题。

中国科学院物理研究所的研究团队在《iScience》发表的研究中，创新性地构建了五种石墨烯/TMDs异质结构体系。通过第一性原理计算结合低能有效模型，系统研究了MoSe₂/石墨烯、WSe₂/石墨烯及其三明治结构等体系的电子结构特性。研究采用密度泛函理论(DFT)进行结构优化和能带计算，通过拟合DFT结果确定了有效哈密顿量模型的四个关键参数：费米速度(v_F)、拉什巴参数(R)以及带隙参数(A,B)。

结构与电子能带
研究团队设计了无摩尔纹的4×4石墨烯与3×3 TMDs匹配结构，优化后层间距为3.42-3.51 ?。能带分析显示，所有异质结构均保持石墨烯的线性色散特征，在±0.2 eV能量窗口内保持相对论性色散关系。特别值得注意的是，WSe₂/石墨烯体系在导带底(CBM)和价带顶(VBM)处呈现环形极值点，导致态密度出现1/√E发散特征。

狄拉克-拉什巴费米子系统
通过建立统一的k·p低能模型，研究人员发现当满足(A²-AB)(B²+R²-AB)>0条件时，体系会形成具有环形能带边的狄拉克-拉什巴费米子系统。参数拟合证实WSe₂/石墨烯和MoSe₂/石墨烯/WSe₂符合该条件，其拉什巴参数R分别达到1.014 meV和0.708 meV。

量子谷霍尔效应
通过计算贝里曲率分布，研究发现所有异质结构均呈现量子谷霍尔绝缘体特性。相位图分析表明，当A/R>0时谷陈数C_η=1，A/R<0时C_η=-1。值得注意的是，MoSe₂/石墨烯/WSe₂等体系的贝里曲率最大值出现在K点周围环形区域，与传统量子霍尔体系显著不同。

轨道与自旋相互作用
研究进一步揭示了轨道纹理(Δσ)与自旋纹理(s_z)的关联性。在WSe₂/石墨烯体系中，Δσ_xy呈现径向分布特征，而s_z在K点附近形成特定自旋构型，这种轨道-自旋耦合为谷依赖的自旋调控提供了可能。

该研究首次在石墨烯基异质结构中实现了狄拉克-拉什巴费米子与量子谷霍尔效应的协同调控，解决了纯石墨烯SOC过弱的本质问题。所建立的普适性低能模型为预测新型二维拓扑材料提供了理论工具，而0.4 eV的宽线性色散窗口则为设计高速低能耗的自旋电子器件奠定了材料基础。特别是发现的环形贝里曲率分布新机制，为探索非平庸拓扑态开辟了新途径。这些发现将推动谷电子学、自旋电子学与拓扑绝缘体研究的交叉融合，具有重要的科学意义和应用前景。