（通讯员 钟建琪）7月17日，《npj计算材料》（npj Computational Materials）在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心徐刚教授团队题为“5d orbital induced room temperature quantum anomalous Hall effect in TbCl”的研究成果。中心硕士生钟建琪、西南科技大学赵健洲副教授为论文共同第一作者，徐刚教授和邹金雨讲师为论文通讯作者。
量子反常霍尔效应是一种不需要磁场就可以观测到整数量子化霍尔效应的拓扑物态。这种拓扑材料的体能带是绝缘的，其拓扑数由陈数刻画，对应边界上无耗散的单向导电通道，即手性边界态，在设计低功耗拓扑电子器件中有重要应用前景。该效应自诺贝尔物理学奖得主Haldane首次理论提出后，目前已在磁掺杂拓扑绝缘体(Bi,Sb)2Te3薄膜、反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4薄膜、转角摩尔异质结等体系中实验实现。然而，一方面受限于较低的居里转变温度，另一方面受限于较小的拓扑能隙，量子反常霍尔效应的实现温度都在2.5K以下，严重阻碍了其实际应用前景。因而，提高量子反常霍尔效应的实现温度成为凝聚态物理最重要的研究课题之一。
图中，（a）单层TbCl的晶格结构；（b）磁化和比热随温度的变化，居里温度约为457K；（c）FM-z基态下单层TbCl的电子结构，拓扑能隙为42.8meV；（d）左为霍尔电导随费米能的变化，右为手性边界态。
相比以往量子反常霍尔效应体系的3d电子，5d电子具有更好的扩展性，可以导致更强的磁交换相互作用，从而显著提高居里转变温度，同时也能产生更强的自旋轨道耦合，从而增大拓扑能隙。基于上述思路，研究团队提出5d材料TbCl是有望实现室温量子反常霍尔效应的理想候选体系。通过DFT+U方法的第一性原理计算，并用HSE06和DMFT方法交叉验证，首先发现三维TbCl基态为铁磁绝缘体，并且可以看成是由一层一层的二维量子反常霍尔绝缘体通过弱范德华力堆叠而成，每一层具有霍尔电导率G=-e2/h。而单层TbCl可以很容易剥离得到（剥离能约为0.24J/m2，比石墨和H-MoS2更低），并稳定保留了块体材料的拓扑性质与铁磁性。在拓扑性质方面，单层TbCl为量子反常霍尔绝缘体，陈数为C=-1，拓扑能隙达42.8meV（~516K），远超室温，因而在室温下仍能够观测到量子反常霍尔效应。在磁性方面，通过对磁交换机制的理论分析，结合模拟计算，发现Tb原子间具有较大的铁磁交换相互作用和显著的磁各向异性能，居里转变温度可达457K，表明单层TbCl是理想的室温铁磁材料，进一步支持室温量子反常霍尔效应。该研究为实现室温条件下的量子反常霍尔效应提供了新型二维材料平台，也为高温拓扑电子学器件的开发奠定了理论基础。
该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41524-025-01732-0
