高溫量子谷霍爾效應（QVHE）與量子化電阻和拓撲開關代表了凝聚態物理和材料科學的重大進展。這一現象在伯納爾雙層石墨烯中被觀察到，展示了拓撲、量子力學和材料特性在高溫下的相互作用。

引言

量子谷霍爾效應（QVHE）是二維材料中拓撲現象的表現，特別是在具有破缺反演對稱性的系統中。與需要強磁場的量子霍爾效應不同，QVHE可以在零磁場下發生，使其在設備應用中更具實用性。最近發表在《科學》雜志的一篇論文，在伯納爾雙層石墨烯中發現了具有量子化電阻和拓撲開關的高溫QVHE，標志著該領域的一個里程碑。

量子谷霍爾效應

QVHE源于某些二維材料（如石墨烯）中的谷自由度。在這些材料中，電子可以占據動量空間中的不同能量谷。當反演對稱性被破壞時，會出現谷依賴的霍爾電導率，從而導致QVHE。這一效應的特征是存在由谷指數保護的邊緣態，導致材料邊緣的無耗散傳輸。

伯納爾雙層石墨烯

伯納爾雙層石墨烯是一種具有特定堆疊順序的石墨烯，是研究QVHE的理想平臺。在這種材料中，施加垂直于層的電場會破壞反演對稱性，誘導帶隙并實現QVHE。伯納爾雙層石墨烯中的邊緣態，稱為拐角態，表現出量子化電阻，這是拓撲保護的標志。

高溫QVHE

實現高溫下具有穩健量子化電阻的QVHE是實現其實際應用的重大挑戰之一。最近的實驗表明，在伯納爾雙層石墨烯中，QVHE可以在高達50開爾文的溫度下維持，且在零磁場下電阻平臺量子化到預測值。這種高溫穩定性對于將基于QVHE的設備集成到實際應用中至關重要。

量子化電阻

QVHE中的量子化電阻是邊緣態拓撲性質的直接結果。這些態對反向散射免疫，導致精確的電阻量子化。在伯納爾雙層石墨烯中，電阻平臺在幾十毫伏的直流偏置窗口內非常平坦，表明邊緣態的穩健性。這種量子化對于開發利用QVHE的可靠電子設備至關重要。

拓撲開關

拓撲開關是一種可以在不同拓撲相之間切換的設備，有效地控制材料的電子特性。在高溫QVHE的背景下，通過操縱施加于伯納爾雙層石墨烯的電場可以實現拓撲開關。該開關表現出200的開/關比，展示了其實際應用的潛力。電控拓撲相變的能力為設計具有可編程特性的量子設備開辟了新的可能性。

應用與未來方向

具有量子化電阻和拓撲開關的高溫QVHE在量子計算、電子學和自旋電子學等領域具有廣闊的應用前景。穩健的邊緣態可用于構建電子量子光學設備，其中精確控制電子傳輸至關重要。此外，拓撲開關為設計可重構電子電路提供了新的范式，這些電路可以根據需求適應不同的功能。

未來的研究可能會集中在進一步提高QVHE的工作溫度，探索具有類似特性的其他材料，并將這些現象集成到可擴展的設備架構中。QVHE中拓撲、量子力學和材料科學的相互作用將繼續激發新的發現和技術創新。

結論

在伯納爾雙層石墨烯中發現的具有量子化電阻和拓撲開關的高溫量子谷霍爾效應代表了凝聚態物理的重大突破。這一現象不僅加深了我們對拓撲態物質的理解，也為量子設備的實際應用鋪平了道路。隨著研究的進展，利用QVHE在現實技術中的潛力變得越來越可行，預示著量子力學和材料科學將融合在一起，革新電子學及其他領域的未來。