量子反?；魻栃且环N無需外加磁場的量子霍爾效應，是微觀尺度下電子的量子行為在宏觀世界里精確而完美的體現(xiàn)。它不僅可以用來構建多種新奇的拓撲量子物態(tài)，也是量子霍爾效應在電子學器件中實際應用的關鍵。量子反常霍爾效應在零磁場下具有無耗散的手性導電邊緣態(tài)和精確的量子電阻，更有利于實現(xiàn)低能耗電子器件，在物質科學、精密測量和電子器件領域中具有非常廣闊的應用前景。量子反?；魻栃擅绹锢韺W家F. D. M. Haldane (2016年諾貝爾物理學獎獲得者）于1988年從理論上預言。2013年Cui-Zu Chang 等在鉻（Cr）摻雜的拓撲絕緣體薄膜中首次從實驗上觀測到了陳數(shù)為1的量子反常霍爾效應（Science 340,167-170 (2013) ）。

截止目前，量子反?；魻栃言诖判該诫s的拓撲絕緣體（Cr 或V 摻雜的(Bi,Sb)2Te3）外延薄膜、機械剝離的本征磁性拓撲絕緣體（MnBi2Te4）薄片和魔角石墨烯中實現(xiàn)。然而，這些量子霍爾絕緣體系統(tǒng)在零磁場下只能提供單個的無耗散導電邊緣態(tài)，從而限制了量子反?；魻栃膽门c發(fā)展。高陳數(shù)的量子反?；魻柦^緣體不僅可以減小導線與量子反?；魻栃骷g的接觸電阻，還在拓撲量子計算領域具有重要應用價值。因此，實現(xiàn)零磁場下高陳數(shù)的量子反?；魻栃捌潢悢?shù)的調控，進而達到無耗散量子通道的精準控制，對于低耗散電子器件與拓撲量子計算的發(fā)展具有重要的科學意義和應用價值。

近日，美國賓夕法尼亞州立大學物理系的Cui-Zu Chang課題組與Chaoxing Liu課題組合作, 通過制備磁性拓撲絕緣體多層結構，首次在零磁場下實現(xiàn)了量子反?；魻柦^緣體的陳數(shù)調控。該工作以“Tuning the Chern Number in Quantum Anomalous Hall Insulators” 為題，于2020年 12月16 日以Article形式在線發(fā)表在《Nature》期刊上。賓夕法尼亞州立大學物理系博士研究生Yi-Fan Zhao、 Ruoxi Zhang 和Ruobing Mei 為文章的共同第一作者。其他合作者還包括賓夕法尼亞州立大學物理系的Moses H. W. Chan 教授 和 Nitin Samarth 教授。

圖1：高陳數(shù)量子反?；魻栃骷疽鈭D（用樂高積木表示，紅色為磁性摻雜拓撲絕緣體，灰色為非摻雜拓撲絕緣體，藍色通道為無耗散的手性導電邊緣態(tài)）和實驗數(shù)據(jù)

如圖1所示，研究者利用分子束外延技術（MBE）制備了高濃度磁性元素Cr摻雜的 Crx(Bi,Sb)2-xTe3/(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體多層結構。高濃度摻雜的磁性拓撲絕緣體Crx(Bi,Sb)2-xTe3層打破了相鄰的非摻雜拓撲絕緣體(Bi,Sb)2Te3層的時間反演對稱性，使其表現(xiàn)出陳數(shù)為1的量子反常霍爾效應。同時，高濃度的Cr摻雜減弱了磁性拓撲絕緣體的自旋軌道耦合，使其變得拓撲平庸，從而分隔開了相鄰陳數(shù)為1的量子反?；魻柦^緣體。如果相鄰量子反?；魻柦^緣體間的相互作用比較弱，通過重復疊加Crx(Bi,Sb)2-xTe3與(Bi,Sb)2Te3層， 便可以得到任意陳數(shù)的量子反?；魻柦^緣體。實驗中，研究者通過這種方法，得到了陳數(shù)從 2到 5的量子反?；魻柦^緣體。這些高陳數(shù)量子反?；魻柦^緣體在零磁場下均呈現(xiàn)出高精度的量子化霍爾平臺以及接近消失的電阻。

圖2：量子反?；魻柦^緣體中的陳數(shù)調控。通過（a）改變磁性摻雜的濃度或（b）中間磁性摻雜絕緣體的厚度實現(xiàn)量子反?；魻柦^緣體的陳數(shù)調控。（c）五層結構中非平庸表面態(tài)數(shù)目的變化。一對非平庸表面態(tài)貢獻陳數(shù)為1.

磁性拓撲絕緣體多層結構中實現(xiàn)高陳數(shù)量子反?；魻栃年P鍵在于高濃度的Cr摻雜減弱了磁性拓撲絕緣體層的自旋軌道耦合，使其變得拓撲平庸，從而使磁性摻雜拓撲絕緣體Crx(Bi,Sb)2-xTe3與非摻雜拓撲絕緣體(Bi,Sb)2Te3的界面處出現(xiàn)了新拓撲表面態(tài)。即通過改變磁性元素Cr的摻雜量可以實現(xiàn)量子反?；魻柦^緣體陳數(shù)的有效調控。以五層結構為例 （圖2c），摻雜濃度較高時，器件表現(xiàn)出陳數(shù)為2的量子反?；魻栃?；而當摻雜濃度較低時，器件則表現(xiàn)出陳數(shù)為1的量子反?；魻栃▓D2a）。

當摻雜濃度確定時，量子反?；魻柦^緣體的陳數(shù)還會受到非摻雜拓撲絕緣體(Bi, Sb)2Te3 層間相互作用的影響。距離越近，相互作用越強。只有當相鄰的非摻雜拓撲絕緣體（Bi,Sb)2Te3層間相互作用小于一定臨界值時，器件才會表現(xiàn)出高陳數(shù)量子反常霍爾效應。研究者們通過控制中間磁性摻雜拓撲絕緣體Crx(Bi,Sb)2-xTe3層的厚度同樣實現(xiàn)了對量子反常霍爾絕緣體的陳數(shù)調控。實驗發(fā)現(xiàn)，當磁性摻雜拓撲絕緣體Crx(Bi,Sb)2-xTe3層厚小于或等于1納米時，器件表現(xiàn)出陳數(shù)為1的量子反?；魻栃淮笥诨虻扔?納米時，器件表現(xiàn)出陳數(shù)為2的量子反常霍爾效應（圖2b）。

量子反常霍爾效應在凝聚態(tài)物理學中具有極其重要的地位。量子反常霍爾絕緣體陳數(shù)調控的實驗實現(xiàn)，豐富了量子世界已知的拓撲物相，并為時間反演對稱性破缺下拓撲相變研究和探尋磁性外爾半金屬態(tài)在內的新拓撲物態(tài)提供了新的平臺。同時，實驗上實現(xiàn)的對手性邊緣態(tài)數(shù)量調控，也讓基于量子反?；魻栃亩嗤ǖ懒孔哟鎯ζ骷屯負淞孔佑嬎銠C的研發(fā)成為了可能。零磁場下量子反?；魻柦^緣體中的陳數(shù)調控，將開啟量子反常霍爾效應研究的新篇章。

責任編輯：lq