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       拓扑绝缘体的边缘状态可用于探索低维和拓扑界面上出现的基础科学。然而，对于螺旋边缘状态而言，实现稳健的电导量化已被证明具有挑战性。

       在此，美国宾夕法尼亚州立大学Jun Zhu教授展示了扭结状态下的宽电阻平台——伯纳尔双层石墨烯中量子谷霍尔效应的表现——在零磁场下量化为预测值。平台电阻的温度依赖性非常弱，最高可达50开尔文，并且在数十毫伏的直流偏置窗口内保持平坦。我们展示了拓扑控制开关的电气操作，其开/关比为200。这些结果证明了扭结状态的稳健性和可调谐性，以及其在构建电子量子光学设备方面的前景。相关研究成果以题为“High-temperature quantum valley Hall effect with quantized resistance and a topological switch”发表在最新一期《Science》上。Ke Huang为本文第一作者。

       / 创新器件设计与制造 /

       该结构采用石墨/六方氮化硼(h-BN)堆栈作为全局栅极。这种设计对于调节双层石墨烯中扭结态的费米能级至关重要。传统器件使用掺杂的Si/SiO2堆叠，这会引入潜在的无序。通过利用干范德华转移、退火和反应离子蚀刻，研究人员创造了一个更清洁的环境，显着减少了无序并提高了器件性能。所提供的SEM和AFM图像描述了这种细致的制造过程，展示了分裂栅极的精确尺寸和干净的表面。

图1. 双层石墨烯中的量子谷霍尔扭结态

       / 零磁场下的电阻量子化 /

       本文强调了在没有外部磁场的情况下电阻的量子化。通过调整全局栅极电压，费米能级位于仅存在扭结态的能隙内，从而形成平坦的电阻平台。电阻值与理论值非常吻合，体现了精确的量化。这种水平的电阻量子化以前仅在磁场下的手性边缘态中观察到，强调了QVH扭结态在量子传输应用中的鲁棒性和潜力。

图2. 扭结态的电阻量子化

       / 扭结态的温度依赖性 /

       扭结态的温度依赖性是该研究的一个重要方面。研究人员发现，结电阻在低温下保持稳定，即使温度升高，其变化也很小。这种行为是拓扑边缘状态的标志。仿真支持的实验数据表明，扭结态不受高达50K的声子辅助反向散射的影响。这种高水平的温度独立性使QVH扭结态成为在相对较高温度下运行的实用量子器件的有希望的候选者。

图3. 结电阻的温度依赖性。

       / DC 偏置依赖性和能带结构见解 /

       作者探索了扭结态的直流偏置依赖性，揭示了微分电导在低偏置下保持平坦，并在超过某个阈值后急剧增加。该阈值随着施加的电位移场而增加，表明纳米带结中存在干净且明确的带隙。起始偏差对位移场的线性依赖性与能带结构模拟一致，进一步验证了实验观察。

图4. 扭结态的直流偏置依赖性

       / 拓扑相变控制开关 /

       该研究最具创新性的方面之一是拓扑开关的演示。可以使用电场打开和关闭扭结状态，从而实现拓扑状态和普通绝缘状态之间的转变。该开关通过相变而不是载流子浓度的变化来工作，从而提供了一种根本不同且可能更有效的电子开关方法。该开关的可重复性和鲁棒性以及大约200的开/关比，凸显了其集成到量子电子电路中的潜力。

图5.拓扑相变控制开关

       / 总结 /

       该研究呈现出量子材料领域的突破性进展，特别是在双层石墨烯方面。QVH扭结态在零磁场和高温下的量子化电阻，加上创新的拓扑开关，为开发片上量子电子器件开辟了新途径。该研究强调了清洁材料制造的重要性，并表明进一步减少缺陷和杂质态可以进一步提高这些器件的性能。未来的研究可以探索将扭结态集成到量子互连网络中及其与超导的耦合，旨在实现长距离量子信息传输和相位相干传输。