近日，厦门大学计算凝聚态物理研究组与凝聚态理论研究组合作在平面五角型MoS2中量子反常霍尔态的鲁棒性研究取得新进展，相关成果以“Robust quantum anomalous Hall effect in a pentagonal MoS2 monolayer grown on CuI(001) substrates”为题发表在Physical Review B 杂志上(DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.115131)。

量子霍尔效应是由冯·克利青在二维电子气在低温、强磁场条件下发现的。强磁场的作用使得样品内部的电子在垂直磁场的平面内形成朗道能级，而边界电子则形成单向传输的边缘态，称为手征边缘态。该边缘态可支撑无能耗的电子输运。在量子反常霍尔效应中存在同样的手征边缘态。然而，量子反常霍尔效应的实现不需要外磁场，它起源于材料本身的本征磁性以及自旋轨道耦合效应的协同作用。因此，量子反常霍尔效应是目前最有希望获得实际应用的拓扑量子效应。近日，厦门大学计算凝聚态物理研究组与凝聚态理论研究组合作，在平面五角型MoS2中量子反常霍尔态的鲁棒性研究中取得新进展。

尽管单层MoS2具有多种结构相，但它们大部分都不具备本征磁性。而平面五角型MoS2 (1P-MoS2) 则具有本征的铁磁性，其本征磁性起源于Mo原子中部分占据的4d轨道与S原子p轨道之间的铁磁交换作用。在不考虑自旋轨道耦合时，1P-MoS2为Dirac型半金属，即自旋向上的电子表现为半金属态，而自旋向下的电子为直接带隙半导体（图1a-b）。在自旋轨道耦合作用下，体系可打开一定的带隙(~18 meV)。霍尔电导在带隙处出现量子化的平台（图1e）以及条状纳米带的能谱中的出现手征边缘态（图1f）证实1P-MoS2为量子反常霍尔绝缘体。

图1. 1P-MoS2的电子结构、反常霍尔电导以及边缘态。

（a-b）自旋极化的能带图；（c）三维Dirac锥；

（d）考虑自旋轨道耦合时的能带图；

（e）反常霍尔电导；（f）边缘态。

如何选择合适的衬底以支撑1P-MoS2的外延生长并保持其量子反常霍尔态对于实际应用至关重要。具有P4/nmm 对称性的体相CuI为层状结构，并且它的面内晶格常数与1P-MoS2非常相近，二者之间的晶格失配只有1.5%。因此，选择CuI(001)面作为衬底，将不会给1P-MoS2带来太大的应力影响。1P-MoS2/CuI(001)异质结构的能带显示，费米能级附近的态主要是由1P-MoS2贡献的，说明CuI(001)衬底对1P-MoS2电子结构的影响较小。反常霍尔电导的计算表明，1P-MoS2在带隙处仍然具有量子化的平台，对应陈数值为2。此外，条状纳米带的能带显示，在带隙处存在连接价带与导带的两条手征边缘态（图2c和2d）。这些计算表明，1P-MoS2在CuI(001)面生长时，其量子反常霍尔态将不会被破坏。此外，本研究还验证了在-2% 至2% 的应力范围内1P-MoS2依然可以保持量子反常霍尔态。该结果可为实验生长1P-MoS2提供理论指导。

图2 (a) 1P-MoS2/CuI(001)异质结构的能带图；

（b）反常霍尔电导；

（c-d）边缘态（c, d 分别对应纳米带左边界和右边界）。

相关成果以“Robust quantum anomalous Hall effect in a pentagonal MoS2 monolayer grown on CuI(001) substrates”为题发表在Physical Review B 杂志上(DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.115131)。论文第一作者为厦门大学物理学系博士后方艺梅博士，通信作者为吴顺情教授和朱梓忠教授。该工作得到了国家自然科学基金的支持。

图3. 团队成员合影，右起依次为吴顺情教授、方艺梅博士、朱梓忠教授、卢仙聪教授。