双面氢化实现2D Cr$_2$Ge$_2$Te$_6$的高温量子异常霍尔绝缘体

寻找高温量子异常霍尔(QAH)绝缘体面临根本性挑战，包括窄的拓扑带隙和现有材料中较低的铁磁柯尔温度($T_{\text{C}}$)。本文提出一种变革性策略，通过双面氢化工程制造出鲁鲁赫QAH态于拓扑平凡的铁磁半导体Cr$_{\text{2}}$Ge$_{\text{2}}$Te$_{\text{6}}$。第一性原理计算表明，氢化处理通过将Cr$_{\text{2}}$Ge$_{\text{2}}$Te$_{\text{6}}$中原本位于导带内的 Dirac 点移至靠近费米能级的位置，实现了拓扑相变。这种电子重构结合自旋轨道耦合，开启了全球性拓扑带隙为118.1 meV，构建出Chern数为$C=$ 3的稳健QAH态。同时，氢化通过$d_{z^{2}}$-$p_{z}$-$d_{xz}$通道显著增强铁磁超交换作用，将最近邻耦合$J_{\text{1}}$增强3.06倍，并将$J_{\text{2}}$从反铁磁切换为铁磁。蒙特卡罗模拟预测该体系的高$T_{\text{C}}$为198 K，远高于液氮温度以及原生Cr$_{\text{2}}$Ge$_{\text{2}}$Te$_{\text{6}}$的28 K。本工作表明表面氢化是一种强大的技术路线，可同时控制二维材料的拓扑性与磁性，为无功耗自旋电子器件的高温平台提供了突破性方案。