北京大学 实现多重无耗散边缘态和提高陈氏绝缘体态的工作温度不仅是物理科学中最重要的研究课题，而且有望促进低功耗电子器件和集成电路的发展
学分:北京大学物理学院国际量子材料中心 量子霍尔效应(QHE)是物理科学中最重要的发现之一
由于一维无耗散边缘态，QHE呈现出奇异的输运性质，量子化的霍尔电阻为h/νe2，纵向电阻消失
这里，h是普朗克常数，ν是朗道填充因子，e是电子电荷
QHE通常起源于显著能隙的形成和时间反转对称性的破坏，这就要求材料具有高迁移率、高磁场和超低温
这些苛刻的条件极大地限制了QHE的深入探索和广泛应用
1988年，霍尔丹从理论上提出，不需要外加磁场就可以实现QHE
e
陈氏绝缘体态或量子反常霍尔效应
2013年，在低至30 mK的温度下，在掺铬(Bi，Sb)2Te3薄膜中实验观察到Chern数C=1的QAHE
之后，霍尔丹因其早期在物质拓扑相方面的理论工作，包括对QAHE的预测，被授予2016年诺贝尔物理学奖
陈氏绝缘体的无1D耗散边缘态为集成电路中不可避免的发热提供了一种可能的解决方案
一般来说，在超低温下，磁掺杂拓扑绝缘体只能实现一个一维无耗散边缘态，这与应用要求相差甚远
因此，实现多重无耗散边缘态和提高陈氏绝缘体态的工作温度不仅是物理科学中最重要的研究课题，而且有望促进低功耗电子器件和集成电路的发展
最近，由北京大学王健教授、清华大学徐勇教授和吴洋教授领导的一项研究合作，在MnBi2Te 4器件中发现了高陈氏数和高温陈氏绝缘体态，代表了陈氏绝缘体和拓扑量子态的重大突破
MnBi2Te4是一种层状磁性拓扑材料
如图1所示
如图1a所示，单层MnBi2Te4包括七个原子层，形成碲-铋-碲-锰-碲-铋-碲七重层(SL)，其可被视为将锰-碲双层插入Bi2Te3五重层的中心
MnBi2Te4在SL内表现出铁磁(FM)序，在具有平面外易轴的相邻SLs之间表现出反铁磁(AFM)序
理论计算表明，MnBi2Te4中可能存在各种奇异拓扑态，如奇数SLs膜中的QAHE、偶数SLs膜中的轴子绝缘体态、零磁场下的AFM拓扑绝缘体和体垂直磁场下的Weyl半金属
丰富的奇异拓扑态和层状结构使MnBi2Te4成为观察和调制拓扑量子态的良好平台
(一)MnBi2Te4晶体结构示意图
红色和蓝色箭头表示锰原子的磁矩
(二)高陈氏数(C = 2)10-SL mnbi 2te 4器件中的陈氏绝缘体状态
(三)、(四)高陈氏数(碳=2)陈氏绝缘体状态的温度演化
(5)具有两个无耗散边缘状态的C=2陈氏绝缘体状态示意图
这两种不同的颜色用于区分相邻的MnBi2Te4 SLs
此图改编自https://doi
org/10
1093/nsr/nwaa089学分:北京大学物理学院国际量子材料中心 研究人员制作了几种不同厚度的二硫化锰薄膜器件
在9-SL和10-SL MnBi2Te4器件中，通过施加5 T的垂直磁场，观察到高度为h/ 2e2的霍尔电阻平台，伴随着几乎消失的纵向电阻，这是具有两个无耗散边缘状态(C=2)的陈氏绝缘体的特征(图
1b)
更有趣的是，10-SL MnBi2Te4器件中的C=2 Chern绝缘体状态可以维持在10 K以上(图
1c，d)
这是液氦温度以上多重无耗散边缘态的首次实验发现
研究人员进一步研究了MnBi2Te4器件的厚度对Chern数的影响
在7-SL和8-SL MnBi2Te4器件中，伴随着几乎消失的纵向电阻的量子化霍尔电阻平台h/e2
e
观察到C=1时的陈氏绝缘体状态
更重要的是，霍尔平台甚至在45 K时也显示出接近量子化的电阻
2a-c)和30 K以上(图
2d-f)，明显高于MnBi2Te4器件的内禀温度(约22 K)
由于零磁场下MnBi2Te4的反铁磁性质，观察到的高陈氏数和高温陈氏绝缘体状态需要施加弱磁场
由于普通QHE也能引起量子化霍尔电阻平台和纵向电阻消失，有必要排除外磁场引起的朗道能级对结果的影响
研究人员首先估计了MnBi2Te4器件的迁移率，发现其范围为100至300 cm2 v1 s 1
这种低迁移率需要高于30 T的外部磁场才能观察到具有LLs的QHE，这比我们的MnBi2Te4器件中的量子化磁场高得多
研究人员进一步证明，当施加背栅电压时，陈氏数的符号与载流子类型保持不变，明确排除了具有LLs的普通QHE的可能性
(一)-(三)7-SL MnBi2Te4器件的高温陈氏绝缘体状态
(d)-(f)8-SL mnbi 2te 4器件的高温陈氏绝缘体状态
这个数字来自https://doi
org/10
1093/nsr/nwaa089学分:北京大学物理学院国际量子材料中心 理论计算揭示了所观察到的陈氏绝缘体状态的起源
铁磁MnBi2Te4被认为是最简单的磁性Weyl半金属，在费米能级附近只有一对Weyl点
量子限制导致少层MnBi2Te4中的Chern绝缘体态和层相关Chern数，允许在体带隙中存在多个无耗散边缘态，这与实验结果一致
高陈氏数陈氏绝缘体态的发现也在某种程度上为MnBi2Te4中的磁性Weyl半金属态提供了实验证据
在本征磁性拓扑材料中发现的高陈氏数和高温陈氏绝缘体态，将激发人们对高温甚至室温量子化学的探索，为物理学、材料科学和信息技术的重大突破铺平道路
这篇题为“没有朗道能级的高陈数和高温量子霍尔效应”的论文发表在《国家科学评论》的网上
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
