NpjComput.Mater.：不再內卷磁性轉變溫度：另闢光致陳絕緣態蹊徑

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在二維拓撲絕緣體中，磁性的引入可以打破體系時間反演對稱性，從而誘導體系從量子自旋霍爾效應相變至量子反常霍爾效應。通常而言，後者的實現溫度取決於體系的磁性轉變溫度，以及體系的全域能隙大小。然而，在實際材料的篩選和實驗製備過程中，要想滿足上述全部條件是十分困難的。

根據Floquet-Bloch定理，圓偏振光或橢圓偏振光的照射同樣可以打破時間反演對稱性，從而在非磁性的拓撲絕緣體中誘導產生量子反常霍爾效應，即陳絕緣態。這種方法打破了長程鐵磁序的限制，因此只需調控得到足夠大的全域能隙便可支援超室溫的陳絕緣態。

來自中國科學院物理研究所的孟勝研究員團隊，提出了採用圓（或橢圓）偏振光場激發的方法，在非磁性的單層IV族烯類材料中打破時間反演對稱性，誘導產生陳絕緣態。他們透過計算發現：在廣泛的雷射引數範圍內，矽烯和鍺烯均可以實現基於K(K’)谷處的超大能隙（≥35 meV）陳絕緣態（C= +2），以支援超室溫的量子反常霍爾效應，其實現溫度只由體系全域能隙的決定。對於矽烯而言，只需1.0 eV的光子能量和約150 V/c以上的雷射振幅，甚至可以在該體系種獲得超過100 meV的超大能隙陳絕緣態。

圖1.利用光場激發在非磁性的單層IV族烯類材料中誘導產生大能隙陳絕緣態

圖2.光誘導產生Floquet-Bloch能帶結構及其隨光場強度的變化

圖3.矽烯受雷射調控產生量子反常霍爾態的相圖

除此之外，本研究還揭示了這類材料中光致陳絕緣態的其他屬性：1)不可忽略的自旋軌道耦合強度導致了量子自旋霍爾效應→量子反常霍爾效應的相變過程。自旋軌道耦合強度越大，在同等光子能量條件下該相變所需的雷射振幅越高。2)由於體系含空間反演對稱性，在光場的激發下體系谷簡併度仍然保持，但自旋簡併度被完全破壞，產生完全相反的劈裂方向。其中一種自旋對應的能隙不斷單調增大；另一種自旋對應的能隙則產生了閉合、再開啟的過程。前者陳數保持不變（+1），後者出現了陳數的跳變（從-1至+1），從而導致體系發生陳數從0至+2的相變過程。3)改變入射光的偏心率或者入射角同樣可以改變拓撲相變所需的雷射振幅和頻率。當入射光偏心率或入射角越大時，其對拓撲相變的調控能力越低。當入射光偏心率達到1（即線偏振光）或入射角達到90°（即平行於表面入射）時，體系的能帶結構和拓撲態將保持不變。

綜上所述，該研究首次提出了擺脫長程鐵磁序限制、在非磁拓撲絕緣體中實現超室溫量子反常霍爾效應的新賽道。該文近期發表於 npj Computational Materials 11：160(2025)，英文標題與摘要如下，點選左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。

Light-induced above-room-temperature Chern insulators in group-IV Xenes

Zhe Li, Haijun Cao & Sheng Meng

Floquet engineering provides a versatile platform for realizing and manipulating diverse exotic topological phases inaccessible in equilibrium. Under the irradiation of circularly or elliptically polarized light, the sizable spin-orbit couplings in group-IV Xene materials (e.g., silicene, germanene, stanene) lead to topological phase transitions (TPT) from quantum spin Hall (QSH) to quantum anomalous Hall (QAH) states, governed by spin-degeneracy broken with band closing and reopening process in one of the spin components. Fascinatingly, a large gapped (≥35 meV) QAH effect with a Chern number C = ± 2 can be introduced under a wide range of laser parameters, lifting limitations of conventional atomic building blocks to achieve long-range magnetism and enabling Chern-insulating behaviors above room temperature. A complex phase diagram for such TPTs is predicted. This work addresses transitions between two-dimensional QSH and QAH states via Floquet engineering, which will stimulate experimental realization of above-room-temperature QAH in group-IV Xenes.