首次在零磁场下实现了量子反常霍尔绝缘体的陈数调控

量子反常霍尔效应是一种无需外加磁场的量子霍尔效应，是微观尺度下电子的量子行为在宏观世界里精确而完美的体现。它不仅可以用来构建多种新奇的拓扑量子物态，也是量子霍尔效应在电子学器件中实际应用的关键。量子反常霍尔效应在零磁场下具有无耗散的手性导电边缘态和精确的量子电阻，更有利于实现低能耗电子器件，在物质科学、精密测量和电子器件领域中具有非常广阔的应用前景。量子反常霍尔效应由美国物理学家F. D. M. Haldane (2016年诺贝尔物理学奖获得者）于1988年从理论上预言。2013年Cui-Zu Chang 等在铬（Cr）掺杂的拓扑绝缘体薄膜中首次从实验上观测到了陈数为1的量子反常霍尔效应（Science 340,167-170 (2013) ）。

截止目前，量子反常霍尔效应已在磁性掺杂的拓扑绝缘体（Cr 或V 掺杂的(Bi,Sb)2Te3）外延薄膜、机械剥离的本征磁性拓扑绝缘体（MnBi2Te4）薄片和魔角石墨烯中实现。然而，这些量子霍尔绝缘体系统在零磁场下只能提供单个的无耗散导电边缘态，从而限制了量子反常霍尔效应的应用与发展。高陈数的量子反常霍尔绝缘体不仅可以减小导线与量子反常霍尔效应器件之间的接触电阻，还在拓扑量子计算领域具有重要应用价值。因此，实现零磁场下高陈数的量子反常霍尔效应及其陈数的调控，进而达到无耗散量子通道的精准控制，对于低耗散电子器件与拓扑量子计算的发展具有重要的科学意义和应用价值。

近日，美国宾夕法尼亚州立大学物理系的Cui-Zu Chang课题组与Chaoxing Liu课题组合作, 通过制备磁性拓扑绝缘体多层结构，首次在零磁场下实现了量子反常霍尔绝缘体的陈数调控。该工作以“Tuning the Chern Number in Quantum Anomalous Hall Insulators” 为题，于2020年 12月16 日以Article形式在线发表在《Nature》期刊上。宾夕法尼亚州立大学物理系博士研究生Yi-Fan Zhao、 Ruoxi Zhang 和Ruobing Mei 为文章的共同第一作者。其他合作者还包括宾夕法尼亚州立大学物理系的Moses H. W. Chan 教授 和 Nitin Samarth 教授。

图1：高陈数量子反常霍尔效应器件示意图（用乐高积木表示，红色为磁性掺杂拓扑绝缘体，灰色为非掺杂拓扑绝缘体，蓝色通道为无耗散的手性导电边缘态）和实验数据

如图1所示，研究者利用分子束外延技术（MBE）制备了高浓度磁性元素Cr掺杂的 Crx(Bi,Sb)2-xTe3/(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体多层结构。高浓度掺杂的磁性拓扑绝缘体Crx(Bi,Sb)2-xTe3层打破了相邻的非掺杂拓扑绝缘体(Bi,Sb)2Te3层的时间反演对称性，使其表现出陈数为1的量子反常霍尔效应。同时，高浓度的Cr掺杂减弱了磁性拓扑绝缘体的自旋轨道耦合，使其变得拓扑平庸，从而分隔开了相邻陈数为1的量子反常霍尔绝缘体。如果相邻量子反常霍尔绝缘体间的相互作用比较弱，通过重复叠加Crx(Bi,Sb)2-xTe3与(Bi,Sb)2Te3层， 便可以得到任意陈数的量子反常霍尔绝缘体。实验中，研究者通过这种方法，得到了陈数从 2到 5的量子反常霍尔绝缘体。这些高陈数量子反常霍尔绝缘体在零磁场下均呈现出高精度的量子化霍尔平台以及接近消失的电阻。

图2：量子反常霍尔绝缘体中的陈数调控。通过（a）改变磁性掺杂的浓度或（b）中间磁性掺杂绝缘体的厚度实现量子反常霍尔绝缘体的陈数调控。（c）五层结构中非平庸表面态数目的变化。一对非平庸表面态贡献陈数为1.

磁性拓扑绝缘体多层结构中实现高陈数量子反常霍尔效应的关键在于高浓度的Cr掺杂减弱了磁性拓扑绝缘体层的自旋轨道耦合，使其变得拓扑平庸，从而使磁性掺杂拓扑绝缘体Crx(Bi,Sb)2-xTe3与非掺杂拓扑绝缘体(Bi,Sb)2Te3的界面处出现了新拓扑表面态。即通过改变磁性元素Cr的掺杂量可以实现量子反常霍尔绝缘体陈数的有效调控。以五层结构为例 （图2c），掺杂浓度较高时，器件表现出陈数为2的量子反常霍尔效应；而当掺杂浓度较低时，器件则表现出陈数为1的量子反常霍尔效应（图2a）。

当掺杂浓度确定时，量子反常霍尔绝缘体的陈数还会受到非掺杂拓扑绝缘体(Bi, Sb)2Te3 层间相互作用的影响。距离越近，相互作用越强。只有当相邻的非掺杂拓扑绝缘体（Bi,Sb)2Te3层间相互作用小于一定临界值时，器件才会表现出高陈数量子反常霍尔效应。研究者们通过控制中间磁性掺杂拓扑绝缘体Crx(Bi,Sb)2-xTe3层的厚度同样实现了对量子反常霍尔绝缘体的陈数调控。实验发现，当磁性掺杂拓扑绝缘体Crx(Bi,Sb)2-xTe3层厚小于或等于1纳米时，器件表现出陈数为1的量子反常霍尔效应；大于或等于2纳米时，器件表现出陈数为2的量子反常霍尔效应（图2b）。

量子反常霍尔效应在凝聚态物理学中具有极其重要的地位。量子反常霍尔绝缘体陈数调控的实验实现，丰富了量子世界已知的拓扑物相，并为时间反演对称性破缺下拓扑相变研究和探寻磁性外尔半金属态在内的新拓扑物态提供了新的平台。同时，实验上实现的对手性边缘态数量调控，也让基于量子反常霍尔效应的多通道量子存储器件和拓扑量子计算机的研发成为了可能。零磁场下量子反常霍尔绝缘体中的陈数调控，将开启量子反常霍尔效应研究的新篇章。

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