宾夕法尼亚州立大学 宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员已经通过实验证明了一种被称为高陈氏数量子反常霍尔(QAH)效应的量子现象
他们堆叠了磁性和非磁性拓扑绝缘体的交替层，这里显示为堆叠的乐高积木，并操纵一个称为陈氏数(C)的拓扑量，在材料的每一侧为电子创建多达5条平行的高速公路
下图:陈氏数为1至5的QAH效应实验结果
信用:赵等
，自然 由于研究表明量子反常霍尔(QAH)效应——电流在材料边缘流动时不会失去能量——在更广泛的条件下，新的节能电子器件可能成为可能
宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员已经在实验中认识到了多层绝缘体中的QAH效应，这实质上是为电子传输制造了一条多线公路，可以在不损失能量的情况下提高信息传输的速度和效率
领导这项研究的宾夕法尼亚州立大学物理学助理教授张翠祖说:“低能耗是电子设备的关键，因此对能提高电子流效率的材料进行了大量研究。”
“增加大多数金属中的电子数量会导致某种交通堵塞，因为向不同方向运动的电子会被散射并相互排斥
但在QAH绝缘体中，电子流被限制在边缘，一边的电子只能往一个方向走，而另一边的电子只能往相反的方向走，就像把一条路分成两条车道的公路一样
在这项研究中，我们制作了QAH绝缘体，这些绝缘体可以分层，从而在彼此的顶部形成平行的公路
" QAH绝缘体是由一种叫做拓扑绝缘体的材料制成的——一层只有几十个原子厚的薄膜——这种材料被制成磁性的，因此它们只能沿着边缘传导电流
为了使拓扑绝缘体具有磁性，研究人员在一种叫做稀释磁性掺杂的过程中向材料中加入磁性杂质
在这项研究中，宾夕法尼亚州立大学的研究小组使用一种叫做分子束外延的技术来制造多层拓扑绝缘体，仔细控制磁性掺杂发生的位置
宾夕法尼亚州立大学的物理学副教授、该论文的合著者赵-刘星说:“QAH绝缘体特别有趣，因为它们理论上没有能量耗散，这意味着当电流沿边缘流动时，电子不会以热的形式损失能量。”
“这种独特的性质使QAH绝缘体成为量子计算机和其他小型快速电子设备的良好候选材料
" 在以前的研究中，QAH效应只有在一个重要的称为陈氏数的量的值为1的材料中才被实验性地实现，基本上只有一条电子的双车道公路
在这项研究中，研究人员堆叠了磁性和非磁性拓扑绝缘体的交替层，并能够实现QAH状态，陈氏数高达5，基本上在材料的每一侧为电子构建了5条平行的高速公路，总共10条车道
他们在12月12日在线发表的一篇论文中展示了他们的结果
16发表在《自然》杂志上
“我们确实在QAH绝缘体和金属电极的连接点处看到一些电流耗散，这是以热的形式出现的，”刘说
“你可以把它想象成一条繁忙的高速公路的上下车坡道，那里狭窄的车道与当地的交通汇合，让你慢下来
通过建设更多的并行公路，更多的合并车道可以将公路与当地交通连接起来，从而可以大大提高整个交通系统的整体速度
" 研究人员发现，通过增加QAH绝缘层的厚度，或者通过控制QAH层的磁性掺杂浓度，他们可以调整样品的陈氏数
“换句话说，我们可以用一个外部旋钮来改变高速公路的车道数，”常说
“即使在陈氏数很高的情况下，QAH绝缘体也不会沿边缘通道消散
这为利用这种无耗散边缘电流的器件提供了概念验证
" 在这项研究中，研究人员精心制作了不同陈氏数的QAH绝缘体
在未来，他们希望开发一种技术来调整一个已经制作好的样本的陈氏数，以便在信息高速公路上“实时”控制电子交通
将这项研究中取得的基本进展转化为实用技术仍然是一项挑战，因为这里研究的现象仅限于非常低的温度——大约是绝对零度以上开氏度的百分之一
但常很乐观:“通过创造性的材料合成，我们可以设想一些场景，这些场景可能有助于我们在技术相关的条件下实现这些效果
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