量子霍爾效應因無耗散的一維拓撲邊界态表現出霍爾電阻為量子電阻（h/e2，h是普朗克常數，e為基本電荷）的整數倍而縱向電阻為零的特殊輸運性質，是物質科學和精密測量領域最為重要的發現之一。要産生量子霍爾效應，需要體系形成顯著的能隙和強烈破壞時間反演對稱。通常這需要三個不可或缺的前提條件：物質材料極高的遷移率、強外加磁場、極低溫。這些苛刻的條件極大限制了量子霍爾效應的實際應用。在此背景下，1988年美國物理學家霍爾丹（Haldane）理論上首次提出了一種無需外磁場的量子霍爾效應（同一物态也被稱為陳絕緣體态或量子反常霍爾效應）實現方案。2013年，薛其坤院士領導的研究團隊在磁性原子Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜中首次實驗上觀測到了陳數為1(C=1)的陳絕緣體态，即量子反常霍爾效應。随後，Haldane因量子反常霍爾效應的早期理論工作等榮獲了2016年諾貝爾物理獎。陳絕緣體的一維無耗散邊界态為大規模集成電路中不可避免的器件發熱問題提供了一種可能的解決方案。然而磁性摻雜的量子反常霍爾效應體系通常隻能提供單個無耗散的導電邊界态（陳數為1），且需要極低溫的工作環境，離應用需求相去甚遠。因此，如何實現更多的無耗散導電邊界态，如何提高陳絕緣體态的工作溫度，不僅是物質科學領域最為重要的研究方向之一，也有望推動無耗散或低耗散電子器件與集成電路的發展。

最近，beat365官方网站量子材料科學中心王健教授、清華大學物理系徐勇副教授、清華大學機械學院吳揚副研究員等組成的合作團隊在磁性拓撲材料的量子霍爾效應研究上取得了重要突破，在MnBi2Te4器件中發現了非朗道能級引起的高陳數和高溫量子霍爾效應。MnBi2Te4是一種新型的層狀磁性拓撲材料，如圖1a所示，單層MnBi2Te4包含7個原子層，形成Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te七重層，可以将其看作是将Mn-Te雙層插入到了Bi2Te3五重層的中心。在每個七重層内，Mn原子的磁矩鐵磁排列，而在兩個七重層之間，Mn原子磁矩反鐵磁排列，最終形成體相的反鐵磁拓撲絕緣體态。理論計算表明，這種獨特的磁結構會使材料呈現出極其豐富的奇異拓撲量子物态：其層厚為奇數個“七重層”的薄膜處于量子反常霍爾相，層厚為偶數個“七重層”的薄膜處于軸子絕緣體相，三維體相是具有拓撲軸子表面态的反鐵磁拓撲絕緣體，而在外加磁場下又可轉變為最簡單（隻有一對外爾點）的磁性外爾半金屬。豐富的拓撲物态、極易剝離的層狀結構使得MnBi2Te4成為絕佳的觀測和調控拓撲量子物态的

研究人員制備出了多個不同厚度的MnBi2Te4電輸運器件。在9層和10層的器件中，霍爾電阻在約5 T的垂直磁場下形成了一個值為1/2個量子電阻(h/2e2)的平台（圖1b），這代表着兩個無耗散邊界态的出現（圖1e）；與此同時，縱向電阻趨近于零（圖1b），這是陳數為2的陳絕緣體态的典型特征。其中，10層器件的高陳數陳絕緣體态可以一直保持到10 K以上的溫度（圖1c，d）。這是首次在液氦溫度以上觀測到具有多個無耗散手性邊界态的陳絕緣體态。

研究團隊進一步研究了厚度對陳絕緣體态的影響。在7層和8層的器件中，通過施加一定的垂直磁場，觀測到了值為1個量子電阻(h/e2)的霍爾平台和同時趨近于零的縱向電阻，也就是陳數為1的陳絕緣體态。更重要的是，7層器件中的量子化溫度高達45 K （45 K時，霍爾平台超過90%的量子電阻，且縱向電阻小于霍爾電阻，見圖2a，b）；8層器件中的量子化溫度也超過了30 K （30 K時，霍爾電阻為97%的量子電阻，且縱向電阻接近于零，見圖2d，e），顯著高于器件的反鐵磁轉變溫度（奈爾溫度，在器件中約22 K）。圖2c，f所展示的相圖清晰的表明了7層和8層的器件中陳絕緣體态随着溫度變化的演變過程。

研究團隊觀測到的高溫和高陳數的量子霍爾效應需要外加弱磁場才能實現，這是因為MnBi2Te4在零磁場下為反鐵磁相而非鐵磁相。由于傳統的量子霍爾效應同樣可以産生量子化的霍爾平台，所以有必要排除這一可能性。研究人員分析了被測試器件的遷移率，發現器件的遷移率在100-300 cm2 V?1 s?1範圍内。在這樣的遷移率下，要想看到由外加磁場下朗道量子化導緻的量子霍爾效應，通常需要施加30 T以上的磁場，遠大于實驗中觀測到量子化霍爾平台所需的磁場值。研究人員進一步通過栅壓調控等手段改變了器件中的載流子類型，發現量子化的霍爾平台值與器件的載流子類型無關，排除了量子化的霍爾平台來自傳統量子霍爾效應的可能性。這些發現表明，如果能夠選取合适的材料與參數，未來有望實現更高溫甚至室溫的陳絕緣體态或量子反常霍爾效應，在真正意義上構築無耗散或低耗散的信息高速公路，帶來信息科學與技術領域的變革。

通過理論計算，研究人員揭示了實驗中觀測到的陳絕緣體态的來源。面外鐵磁排列的MnBi2Te4塊材可以實現理論上最簡單的磁性外爾半金屬，僅在費米面附近存在一對外爾點。将其剝離為薄膜器件材料時，由于量子限域效應的存在，少層的MnBi2Te4器件表現為陳絕緣體，并且器件的陳數随層厚變化，在體能隙中可以容納多個無耗散的導電通道。理論計算的結果與上述實驗觀測結果吻合。而高陳數陳絕緣體的實驗發現也為MnBi2Te4中存在磁性外爾半金屬态提供了間接證據。

在磁性拓撲材料中發現高陳數以及高溫陳絕緣體态，必将激勵面向更高溫度甚至室溫的量子反常霍爾效應研究，為未來物理、材料、信息科技領域的重大突破奠定基礎。

該工作在線發表于《國家科學評論》(National Science Review) ，https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089, beat365王健教授與清華大學徐勇副教授為文章共同通訊作者，beat365博士生葛軍、劉彥昭與清華大學博士生李佳恒、李昊為共同第一作者。這一工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、量子物質科學協同創新中心、中科院卓越創新中心等支持。文章在線發表後，國際頂級學術期刊《科學》（Science）的編輯精選（Editors’Choice）以“調控陳數” （Tuning the Chern number）為題對這一成果進行了高亮報道。(Science 368, 962 (2020))：https://science.sciencemag.org/content/368/6494/twil

注：Science每期的編輯精選會收錄7篇其餘學術期刊上的論文高亮報道，該期物理領域收錄1篇。