磁性拓?fù)洳牧系母哧悢?shù)和高溫陳絕緣體態(tài)

量子霍爾效應(yīng)在物質(zhì)科學(xué)和精密測(cè)量領(lǐng)域都極為重要。要產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)，需要體系形成顯著的能隙和強(qiáng)烈破壞時(shí)間反演對(duì)稱。通常這需要三個(gè)不可或缺的前提條件：物質(zhì)材料極高的遷移率、強(qiáng)外加磁場(chǎng)、極低溫。這些苛刻的條件極大地限制了量子霍爾效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。

在此背景下，能否在高溫弱磁場(chǎng)（甚至無(wú)磁場(chǎng)）下實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，成為了物理學(xué)研究的重大課題。1988年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾丹首次提出了一種無(wú)需外磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)（同一物態(tài)也被稱為陳絕緣體態(tài)或量子反?；魻栃?yīng)）實(shí)現(xiàn)方案。在2013年，薛其坤院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜中觀測(cè)到了陳數(shù)為1(C=1)的陳絕緣體態(tài)，即量子反常霍爾效應(yīng)。磁性原子摻雜導(dǎo)致了自發(fā)磁化，因此量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)現(xiàn)無(wú)需施加外磁場(chǎng)。相較于量子霍爾效應(yīng)，量子反?；魻栃?yīng)同樣具有無(wú)耗散的導(dǎo)電邊界態(tài)，且更有利于實(shí)現(xiàn)低耗散電子器件?；魻柕ひ蛟缙诘睦碚擃A(yù)測(cè)等工作，榮獲了2016年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 但是，前期的量子反?；魻栃?yīng)方案只能提供單個(gè)無(wú)耗散的導(dǎo)電邊界態(tài)，且需要極低溫的工作環(huán)境。因此，如何實(shí)現(xiàn)更多的無(wú)耗散導(dǎo)電邊界態(tài)，如何提高量子反?；魻栃?yīng)的工作溫度，不僅是物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域最為重要的研究方向之一，也有望推動(dòng)無(wú)耗散或低耗散電子器件與集成電路的發(fā)展。 最近，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心王健教授、清華大學(xué)物理系徐勇副教授、清華大學(xué)機(jī)械學(xué)院吳揚(yáng)副研究員等組成的合作團(tuán)隊(duì)在磁性拓?fù)洳牧系牧孔踊魻栃?yīng)研究上取得了重要突破，在錳鉍碲(MnBi2Te4)中發(fā)現(xiàn)了非朗道能級(jí)引起的高陳數(shù)和高溫量子霍爾效應(yīng)。該工作在線發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review) ，北京大學(xué)王健教授與清華大學(xué)徐勇副教授為文章共同通訊作者，北京大學(xué)博士生葛軍、劉彥昭與清華大學(xué)博士生李佳恒、李昊為共同第一作者。

研究團(tuán)隊(duì)在磁性拓?fù)洳牧螹nBi2Te4的少數(shù)層電輸運(yùn)器件中，首次發(fā)現(xiàn)了具有兩個(gè)無(wú)耗散邊界態(tài)且工作溫度高于10開(kāi)爾文的陳絕緣體態(tài)（高陳數(shù)陳絕緣體）。此外，通過(guò)降低樣品厚度，團(tuán)隊(duì)首次在高達(dá)45開(kāi)爾文的溫度（超過(guò)奈爾溫度）下觀測(cè)到了具有單個(gè)無(wú)耗散邊界態(tài)的陳絕緣體態(tài)（高溫陳絕緣體）。這些發(fā)現(xiàn)表明，如果能夠選取合適的材料與參數(shù)，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)室溫陳絕緣體態(tài)或量子反?；魻栃?yīng)，在真正意義上構(gòu)筑無(wú)耗散或低耗散的信息高速公路，帶來(lái)信息科學(xué)與技術(shù)方面的變革。

(a) 兩層MnBi2Te4的原子結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 非朗道能級(jí)引起的高陳數(shù) (C=2)量子霍爾效應(yīng)；(c) 具有兩個(gè)無(wú)耗散邊界態(tài)的陳絕緣體態(tài)示意圖；(d),(e) 非朗道能級(jí)引起的高溫量子霍爾效應(yīng) (C=1)；(f)非朗道能級(jí)引起的高溫量子霍爾效應(yīng)相圖 (C=1)。 MnBi2Te4是一種新型的層狀磁性拓?fù)洳牧希鐖Da所示，單層MnBi2Te4在單胞中包含7個(gè)原子層，形成Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te七重層，可以將其看作是將Mn-Te雙層插入到了Bi2Te3五重層的中心。 研究人員制備出了多個(gè)不同厚度的MnBi2Te4電輸運(yùn)器件。在9層和10層的器件中，霍爾電阻在約5 特斯拉的磁場(chǎng)下形成了一個(gè)值為1/2個(gè)量子電阻的平臺(tái)，這代表著兩個(gè)無(wú)耗散邊界態(tài)的出現(xiàn)；與此同時(shí)，縱向電阻趨近于零，這是陳數(shù)為2的陳絕緣體態(tài)的典型特征（圖b，c）。其中，10層器件的高陳數(shù)陳絕緣體態(tài)可以一直保持到10 開(kāi)爾文以上的溫度。 研究人員進(jìn)一步研究了厚度對(duì)陳絕緣體態(tài)的影響。在7層和8層的器件中，通過(guò)施加一定的磁場(chǎng)，觀測(cè)到了值為1個(gè)量子電阻的霍爾平臺(tái)和同時(shí)趨近于零的縱向電阻，也就是陳數(shù)為1的陳絕緣體態(tài)。更重要的是，7層器件中的量子化溫度高達(dá)45開(kāi)爾文（圖d, e），8層器件中的量子化溫度也超過(guò)了30開(kāi)爾文，顯著高于器件的反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度（奈爾溫度，器件中約為22開(kāi)爾文）。圖f中的相圖清晰展示了7層器件中陳絕緣體態(tài)隨溫度變化的演變過(guò)程。 研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到的高溫和高陳數(shù)的量子霍爾效應(yīng)需要外加弱磁場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)镸nBi2Te4在零磁場(chǎng)下為反鐵磁相而非鐵磁相。由于傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)同樣可以產(chǎn)生量子化的霍爾平臺(tái)，所以有必要排除外加磁場(chǎng)產(chǎn)生朗道能級(jí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。研究人員分析了被測(cè)試器件的遷移率，發(fā)現(xiàn)所測(cè)試器件的遷移率在100-300 cm2 V?1 s?1范圍內(nèi)。在這樣的遷移率下，要想看到由朗道量子化導(dǎo)致的量子霍爾效應(yīng)，通常需要施加30 特斯拉以上的磁場(chǎng)，遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到量子化霍爾平臺(tái)所需的磁場(chǎng)值。此外，研究人員通過(guò)柵壓調(diào)控等手段改變了器件的載流子類型，發(fā)現(xiàn)量子化的霍爾平臺(tái)值與器件的載流子類型無(wú)關(guān)，排除了量子化的霍爾平臺(tái)來(lái)自外加磁場(chǎng)的可能性。 通過(guò)理論計(jì)算，研究人員揭示了實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的陳絕緣體態(tài)的來(lái)源。面外鐵磁排列的MnBi2Te4塊材可以實(shí)現(xiàn)理論上最簡(jiǎn)單的磁性外爾半金屬，僅在費(fèi)米面附近存在一對(duì)外爾點(diǎn)。將其剝離為薄膜器件材料時(shí)，由于量子限域效應(yīng)的存在，少層的MnBi2Te4器件表現(xiàn)為陳絕緣體，并且系統(tǒng)的陳數(shù)隨層厚而變化，在體能隙中可以容納多個(gè)無(wú)耗散的導(dǎo)電通道。這一理論預(yù)言與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相契合。高陳數(shù)陳絕緣體的發(fā)現(xiàn)也為MnBi2Te4中存在磁性外爾半金屬態(tài)提供了間接證據(jù)。 在磁性拓?fù)洳牧现邪l(fā)現(xiàn)高陳數(shù)以及高溫陳絕緣體態(tài)，必將激勵(lì)面向室溫的量子反?；魻栃?yīng)相關(guān)研究，為未來(lái)物理、材料、信息科技領(lǐng)域的重大突破奠定基礎(chǔ)。