磁性石墨烯中量子自旋霍尔效应的零场实现与室温反常霍尔效应

本研究通过将石墨烯与层间反铁磁体CrPS4构建范德华异质结，首次在零磁场下观测到量子自旋霍尔(QSH)态与磁性的共存，并实现室温稳定的反常霍尔(AH)效应。该工作解决了拓扑自旋极化边缘态需依赖强磁场的难题，为量子自旋电子器件开发提供了新平台。

　　

论文解读
石墨烯因其独特的狄拉克锥能带结构，长期以来被视为自旋电子学的理想材料。然而，实现无需强磁场的拓扑保护自旋传输始终是重大挑战。传统方法依赖外部磁场诱导塞曼分裂形成边缘态，但这对实际应用构成限制。理论预测通过能带工程（如引入交错势、自旋轨道耦合(SOC)和磁交换作用）可在石墨烯中打开拓扑体态能隙，形成对无序散射具有鲁棒性的螺旋边缘态。然而，界面电荷转移等干扰因素使得实验验证异常困难。

荷兰代尔夫特理工大学联合多国团队在《Nature Communications》发表研究，通过将石墨烯与层间反铁磁半导体CrPS₄(CPS)构建异质结，首次实现零磁场下的量子自旋霍尔效应。研究人员采用机械剥离法制备CPS/石墨烯/hBN异质结器件，通过超导量子干涉仪(SQUID)磁强计和低温输运测量，结合密度泛函理论(DFT)计算，证实了SOC与磁交换作用的协同效应。关键发现包括：1）室温下仍保持150Ω的反常霍尔电阻；2）零场时观测到量子化电导2e²/h，符合螺旋边缘态理论预测；3）通过Landauer-Büttiker公式验证不同电极构型下的输运行为。

主要技术方法
研究使用固相反应法合成CPS单晶，通过范德华堆叠构建hBN/石墨烯/CPS异质结器件。采用四端法测量纵向/横向电阻，结合SQUID表征CPS磁学性质。通过Shubnikov-de Haas振荡分析提取回旋质量和费米速度，利用DFT计算界面能带杂化。

研究结果

1. CrPS₄磁序与石墨烯磁化
   SQUID测量显示CPS在T<38K呈反铁磁序，具有自旋翻转转变特征。石墨烯器件在B_z≈0.8T时出现R_xy突变，证实CPS磁序通过界面耦合影响石墨烯输运。室温下仍测得R_AH≈150Ω，表明强SOC与交换作用的持续存在。

1. 量子霍尔态与能带调控
   Landau能级(LL)展宽分析显示零级LL(zLL)存在边缘态分流。通过SdH振荡提取的费米速度v_F≈1.196×10⁶ m/s与原始石墨烯一致，但LL在V_tg的非对称移动暗示交错势诱导的体态能隙。

2. 零场量子自旋霍尔态
   在B_z=0T时观测到G=2e²/h的量子化平台。通过切割器件改变电极构型（如三端/五端配置），测得电导值严格符合螺旋态输运公式G_2T=(e²/h)[1/(N_L+1)+1/(N_R+1)]，其中N_L/N_R为浮动探针数。

1. 温度与磁场依赖性
   zLL电阻在B_z=9T时随温度升高而增大，符合螺旋态金属行为。零场下电阻随温度降低归因于磁矩涨落导致的边缘态散射。

结论与意义
该研究首次在磁化石墨烯中实现QSH与AH效应的共存，突破了时间反演对称性破缺抑制拓扑保护的认知。DFT计算揭示界面强杂化是产生大SOC的关键。室温稳定的AH效应与零场螺旋态为开发量子自旋电子电路提供了双重优势，包括：1）无需外磁场的长程自旋传输；2）与现有半导体工艺兼容的室温磁性调控。这项工作为二维拓扑自旋器件设计开辟了新范式。