首次发现具有量子化电阻和拓扑开关的高温量子谷霍尔效应

高温量子谷霍尔效应（QVHE）与量子化电阻和拓扑开关代表了凝聚态物理和材料科学的重大进展。这一现象在伯纳尔双层石墨烯中被观察到，展示了拓扑、量子力学和材料特性在高温下的相互作用。

引言

量子谷霍尔效应（QVHE）是二维材料中拓扑现象的表现，特别是在具有破缺反演对称性的系统中。与需要强磁场的量子霍尔效应不同，QVHE可以在零磁场下发生，使其在设备应用中更具实用性。最近发表在《科学》杂志的一篇论文，在伯纳尔双层石墨烯中发现了具有量子化电阻和拓扑开关的高温QVHE，标志着该领域的一个里程碑。

量子谷霍尔效应

QVHE源于某些二维材料（如石墨烯）中的谷自由度。在这些材料中，电子可以占据动量空间中的不同能量谷。当反演对称性被破坏时，会出现谷依赖的霍尔电导率，从而导致QVHE。这一效应的特征是存在由谷指数保护的边缘态，导致材料边缘的无耗散传输。

伯纳尔双层石墨烯

伯纳尔双层石墨烯是一种具有特定堆叠顺序的石墨烯，是研究QVHE的理想平台。在这种材料中，施加垂直于层的电场会破坏反演对称性，诱导带隙并实现QVHE。伯纳尔双层石墨烯中的边缘态，称为拐角态，表现出量子化电阻，这是拓扑保护的标志。

高温QVHE

实现高温下具有稳健量子化电阻的QVHE是实现其实际应用的重大挑战之一。最近的实验表明，在伯纳尔双层石墨烯中，QVHE可以在高达50开尔文的温度下维持，且在零磁场下电阻平台量子化到预测值。这种高温稳定性对于将基于QVHE的设备集成到实际应用中至关重要。

量子化电阻

QVHE中的量子化电阻是边缘态拓扑性质的直接结果。这些态对反向散射免疫，导致精确的电阻量子化。在伯纳尔双层石墨烯中，电阻平台在几十毫伏的直流偏置窗口内非常平坦，表明边缘态的稳健性。这种量子化对于开发利用QVHE的可靠电子设备至关重要。

拓扑开关

拓扑开关是一种可以在不同拓扑相之间切换的设备，有效地控制材料的电子特性。在高温QVHE的背景下，通过操纵施加于伯纳尔双层石墨烯的电场可以实现拓扑开关。该开关表现出200的开/关比，展示了其实际应用的潜力。电控拓扑相变的能力为设计具有可编程特性的量子设备开辟了新的可能性。

应用与未来方向

具有量子化电阻和拓扑开关的高温QVHE在量子计算、电子学和自旋电子学等领域具有广阔的应用前景。稳健的边缘态可用于构建电子量子光学设备，其中精确控制电子传输至关重要。此外，拓扑开关为设计可重构电子电路提供了新的范式，这些电路可以根据需求适应不同的功能。

未来的研究可能会集中在进一步提高QVHE的工作温度，探索具有类似特性的其他材料，并将这些现象集成到可扩展的设备架构中。QVHE中拓扑、量子力学和材料科学的相互作用将继续激发新的发现和技术创新。

结论

在伯纳尔双层石墨烯中发现的具有量子化电阻和拓扑开关的高温量子谷霍尔效应代表了凝聚态物理的重大突破。这一现象不仅加深了我们对拓扑态物质的理解，也为量子设备的实际应用铺平了道路。随着研究的进展，利用QVHE在现实技术中的潜力变得越来越可行，预示着量子力学和材料科学将融合在一起，革新电子学及其他领域的未来。