拓撲絕緣體的邊緣狀態可用于探索低維和拓撲界面上出現的基礎科學。然而，對于螺旋邊緣狀態而言，實現穩健的電導量化已被證明具有挑戰性。

       在此，美國賓夕法尼亞州立大學Jun Zhu教授展示了扭結狀態下的寬電阻平臺——伯納爾雙層石墨烯中量子谷霍爾效應的表現——在零磁場下量化為預測值。平臺電阻的溫度依賴性非常弱，最高可達50開爾文，并且在數十毫伏的直流偏置窗口內保持平坦。我們展示了拓撲控制開關的電氣操作，其開/關比為200。這些結果證明了扭結狀態的穩健性和可調諧性，以及其在構建電子量子光學設備方面的前景。相關研究成果以題為“High-temperature quantum valley Hall effect with quantized resistance and a topological switch”發表在最新一期《Science》上。Ke Huang為本文第一作者。

       / 創新器件設計與制造 /

       該結構采用石墨/六方氮化硼(h-BN)堆棧作為全局柵極。這種設計對于調節雙層石墨烯中扭結態的費米能級至關重要。傳統器件使用摻雜的Si/SiO2堆疊，這會引入潛在的無序。通過利用干范德華轉移、退火和反應離子蝕刻，研究人員創造了一個更清潔的環境，顯著減少了無序并提高了器件性能。所提供的SEM和AFM圖像描述了這種細致的制造過程，展示了分裂柵極的精確尺寸和干凈的表面。

圖1. 雙層石墨烯中的量子谷霍爾扭結態

       / 零磁場下的電阻量子化 /

       本文強調了在沒有外部磁場的情況下電阻的量子化。通過調整全局柵極電壓，費米能級位于僅存在扭結態的能隙內，從而形成平坦的電阻平臺。電阻值與理論值非常吻合，體現了精確的量化。這種水平的電阻量子化以前僅在磁場下的手性邊緣態中觀察到，強調了QVH扭結態在量子傳輸應用中的魯棒性和潛力。

圖2. 扭結態的電阻量子化

       / 扭結態的溫度依賴性 /

       扭結態的溫度依賴性是該研究的一個重要方面。研究人員發現，結電阻在低溫下保持穩定，即使溫度升高，其變化也很小。這種行為是拓撲邊緣狀態的標志。仿真支持的實驗數據表明，扭結態不受高達50K的聲子輔助反向散射的影響。這種高水平的溫度獨立性使QVH扭結態成為在相對較高溫度下運行的實用量子器件的有希望的候選者。

圖3. 結電阻的溫度依賴性。

       / DC 偏置依賴性和能帶結構見解 /

       作者探索了扭結態的直流偏置依賴性，揭示了微分電導在低偏置下保持平坦，并在超過某個閾值后急劇增加。該閾值隨著施加的電位移場而增加，表明納米帶結中存在干凈且明確的帶隙。起始偏差對位移場的線性依賴性與能帶結構模擬一致，進一步驗證了實驗觀察。

圖4. 扭結態的直流偏置依賴性

       / 拓撲相變控制開關 /

       該研究最具創新性的方面之一是拓撲開關的演示。可以使用電場打開和關閉扭結狀態，從而實現拓撲狀態和普通絕緣狀態之間的轉變。該開關通過相變而不是載流子濃度的變化來工作，從而提供了一種根本不同且可能更有效的電子開關方法。該開關的可重復性和魯棒性以及大約200的開/關比，凸顯了其集成到量子電子電路中的潛力。

圖5.拓撲相變控制開關

       / 總結 /

       該研究呈現出量子材料領域的突破性進展，特別是在雙層石墨烯方面。QVH扭結態在零磁場和高溫下的量子化電阻，加上創新的拓撲開關，為開發片上量子電子器件開辟了新途徑。該研究強調了清潔材料制造的重要性，并表明進一步減少缺陷和雜質態可以進一步提高這些器件的性能。未來的研究可以探索將扭結態集成到量子互連網絡中及其與超導的耦合，旨在實現長距離量子信息傳輸和相位相干傳輸。