最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室理论室刘伍明研究组应用第一性原理计算方法系统地研究了硅烯由3d 过渡金属掺杂诱导的新奇拓扑量子态，探讨了硅烯中的量子反常霍尔效应，以 及在电场调制下的量子相变。
    硅烯是一种新颖的二维拓扑材料，近年来已成为新材料研究领域的一个热点。类似于石墨烯，硅烯具有六角蜂窝结构，其低能激发是无质量的狄拉克费米子。但是，它不同于石墨烯的一个显著特点是，稳定的硅烯具有独特的翘曲结构。正是这种翘曲结构使硅烯拥有1.55 meV的自旋-轨道耦合能隙和内禀Rashba自旋-轨道耦合效应。此外，硅烯也比石墨烯易于与当代普遍应用的硅基半导体工艺兼容。这些特性使硅烯对未来的自旋电子学和纳米电子学器件有更好的应用前景。
    通常，人们通过破坏拓扑绝缘体的时间反演对称性或者空间反演对称性来实现一些新奇的拓扑量子态，例如量子反常霍尔效应(quantum anomalous Hall effect ) 和量子谷霍尔效应（quantum valley Hall effect）等。博士生张晓龙、博士后刘兰峰和刘伍明研究员利用3d过渡金属掺杂，破坏硅烯体系的时间和空间反演对称性，从理论上预言了量子反常霍尔效应和量子谷霍尔效应。他们通过有效模型和第一性原理计算，发现在钒原子掺杂的硅烯体系中会出现稳定的量子反常霍尔效应，进一步通过调节电场，这个掺杂体系会出现量子谷霍尔效应。此外，他们还通过第一性原理计算方法系统地研究了硅烯在3d 过渡金属掺杂下的晶体结构、磁性以及Jahn-Teller畸变。他们发现过渡金属中电子的强关联效应会显著地影响掺杂体系的电子结构从而影响晶体结构和磁性。
    相关研究得到中国科学院、国家自然科学基金委员会和科技部的支持。该结果发表在近期出版的Scientific Reports上【 Scientific Reports. 3, 2908 (2013) 】。
    相关链接：
http://www.nature.com/srep/2013/131009/srep02908/full/srep02908.html

图1硅烯在有效磁场和交错势作用下的狄拉克点附近能带演化图。(a) 硅烯在不掺杂情况下的能带结构；(b) 只加入有效磁场时，自旋简并解除，自旋向上（红色）和自旋向下（黑色）能带上下分开；(c) 只加入交错势时，体系进入绝缘态；(d)有效磁场等于交错场；(e) 有效磁场大于交错场；(e) 有效磁场小于交错场。

图2硅烯在两种Rashba自旋轨道耦合效应（內禀和外禀）作用下的相图。(a)、(b)、(c) 分别为系统总的陈数、K点附近陈数、-K点附近陈数随两种Rashba自旋轨道耦合变化的相图。 (d)、(e)、(f) 分别对应 (a) 中的3个量子相：QAHE(+2)、QVHE(0)、QAHE(-2)。(g) 和 (h) 表面在发生相变时，K和-K点附近能隙重新打开的过程。

图3硅烯掺杂钒原子后的能带图。(a) 广义梯度近似下的能带结构，红色对应自旋向上，黑色对应自旋向下；(b) 在 (a) 基础上加入自选轨道耦合后体系进入绝缘相；(c)考虑平均场近似下的强关联效应后的能带结构；(d) 在(c) 基础上进一步考虑自旋轨道耦合效应后体系进入绝缘相，粉色点线为Wannier插值的能带。

图4第一性原理计算的钒掺杂硅烯体系在第一布里渊区（黑色六边形）的Berry曲率分布。在图中，Berry曲率在蓝色区域数值很小（在0附近），而在K和-K点附近的小圆圈处有很大的取值。