磁性拓扑材料的高陈数和高温陈绝缘体态

量子霍尔效应在物质科学和精密测量领域都极为重要。要产生量子霍尔效应，需要体系形成显著的能隙和强烈破坏时间反演对称。通常这需要三个不可或缺的前提条件：物质材料极高的迁移率、强外加磁场、极低温。这些苛刻的条件极大地限制了量子霍尔效应的实际应用。

在此背景下，能否在高温弱磁场（甚至无磁场）下实现量子霍尔效应，成为了物理学研究的重大课题。1988年，美国物理学家霍尔丹首次提出了一种无需外磁场的量子霍尔效应（同一物态也被称为陈绝缘体态或量子反常霍尔效应）实现方案。在2013年，薛其坤院士领导的研究团队在Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中观测到了陈数为1(C=1)的陈绝缘体态，即量子反常霍尔效应。磁性原子掺杂导致了自发磁化，因此量子反常霍尔效应的实现无需施加外磁场。相较于量子霍尔效应，量子反常霍尔效应同样具有无耗散的导电边界态，且更有利于实现低耗散电子器件。霍尔丹因早期的理论预测等工作，荣获了2016年诺贝尔物理奖。 但是，前期的量子反常霍尔效应方案只能提供单个无耗散的导电边界态，且需要极低温的工作环境。因此，如何实现更多的无耗散导电边界态，如何提高量子反常霍尔效应的工作温度，不仅是物质科学领域最为重要的研究方向之一，也有望推动无耗散或低耗散电子器件与集成电路的发展。 最近，北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授、清华大学物理系徐勇副教授、清华大学机械学院吴扬副研究员等组成的合作团队在磁性拓扑材料的量子霍尔效应研究上取得了重要突破，在锰铋碲(MnBi2Te4)中发现了非朗道能级引起的高陈数和高温量子霍尔效应。该工作在线发表于《国家科学评论》(National Science Review) ，北京大学王健教授与清华大学徐勇副教授为文章共同通讯作者，北京大学博士生葛军、刘彦昭与清华大学博士生李佳恒、李昊为共同第一作者。

研究团队在磁性拓扑材料MnBi2Te4的少数层电输运器件中，首次发现了具有两个无耗散边界态且工作温度高于10开尔文的陈绝缘体态（高陈数陈绝缘体）。此外，通过降低样品厚度，团队首次在高达45开尔文的温度（超过奈尔温度）下观测到了具有单个无耗散边界态的陈绝缘体态（高温陈绝缘体）。这些发现表明，如果能够选取合适的材料与参数，未来有望实现室温陈绝缘体态或量子反常霍尔效应，在真正意义上构筑无耗散或低耗散的信息高速公路，带来信息科学与技术方面的变革。

(a) 两层MnBi2Te4的原子结构示意图；(b) 非朗道能级引起的高陈数 (C=2)量子霍尔效应；(c) 具有两个无耗散边界态的陈绝缘体态示意图；(d),(e) 非朗道能级引起的高温量子霍尔效应 (C=1)；(f)非朗道能级引起的高温量子霍尔效应相图 (C=1)。 MnBi2Te4是一种新型的层状磁性拓扑材料，如图a所示，单层MnBi2Te4在单胞中包含7个原子层，形成Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te七重层，可以将其看作是将Mn-Te双层插入到了Bi2Te3五重层的中心。 研究人员制备出了多个不同厚度的MnBi2Te4电输运器件。在9层和10层的器件中，霍尔电阻在约5 特斯拉的磁场下形成了一个值为1/2个量子电阻的平台，这代表着两个无耗散边界态的出现；与此同时，纵向电阻趋近于零，这是陈数为2的陈绝缘体态的典型特征（图b，c）。其中，10层器件的高陈数陈绝缘体态可以一直保持到10 开尔文以上的温度。 研究人员进一步研究了厚度对陈绝缘体态的影响。在7层和8层的器件中，通过施加一定的磁场，观测到了值为1个量子电阻的霍尔平台和同时趋近于零的纵向电阻，也就是陈数为1的陈绝缘体态。更重要的是，7层器件中的量子化温度高达45开尔文（图d, e），8层器件中的量子化温度也超过了30开尔文，显著高于器件的反铁磁转变温度（奈尔温度，器件中约为22开尔文）。图f中的相图清晰展示了7层器件中陈绝缘体态随温度变化的演变过程。 研究团队观测到的高温和高陈数的量子霍尔效应需要外加弱磁场才能实现，这是因为MnBi2Te4在零磁场下为反铁磁相而非铁磁相。由于传统的量子霍尔效应同样可以产生量子化的霍尔平台，所以有必要排除外加磁场产生朗道能级对实验结果的影响。研究人员分析了被测试器件的迁移率，发现所测试器件的迁移率在100-300 cm2 V−1 s−1范围内。在这样的迁移率下，要想看到由朗道量子化导致的量子霍尔效应，通常需要施加30 特斯拉以上的磁场，远大于实验中观测到量子化霍尔平台所需的磁场值。此外，研究人员通过栅压调控等手段改变了器件的载流子类型，发现量子化的霍尔平台值与器件的载流子类型无关，排除了量子化的霍尔平台来自外加磁场的可能性。 通过理论计算，研究人员揭示了实验中观测到的陈绝缘体态的来源。面外铁磁排列的MnBi2Te4块材可以实现理论上最简单的磁性外尔半金属，仅在费米面附近存在一对外尔点。将其剥离为薄膜器件材料时，由于量子限域效应的存在，少层的MnBi2Te4器件表现为陈绝缘体，并且系统的陈数随层厚而变化，在体能隙中可以容纳多个无耗散的导电通道。这一理论预言与上述实验结果相契合。高陈数陈绝缘体的发现也为MnBi2Te4中存在磁性外尔半金属态提供了间接证据。 在磁性拓扑材料中发现高陈数以及高温陈绝缘体态，必将激励面向室温的量子反常霍尔效应相关研究，为未来物理、材料、信息科技领域的重大突破奠定基础。