量子相變是指在絕對零度下系統随着物理參數變化而出現的相變。盡管絕對零度時系統已經處于某一個基态，這個基态可能随着溫度之外的另一個參數的改變而改變，這樣的相變可以用标度行為描述，這個相變點稱為量子臨界點。根據單參數标度理論，在臨界點附近，一些物理量之間存在指數關系，多個物理參數可以通過一個指數因子由單一參數表示，這個指數因子被稱為臨界指數，可以與系統微觀性質無關。有限溫度下，量子臨界點附近存在熱漲落與量子漲落的競争，因而越低的溫度越适合開展量子相變的研究。

量子霍爾效應中，從一個量子平台到另一個量子平台的相變可以用标度行為描述，目前已有一些理論研究和實驗工作。二維體系除了量子霍爾效應，還有很多其他有趣的量子現象，比如近些年為人熟知的量子反常霍爾效應和新奇的軸子絕緣體态。軸子絕緣體态的特征之一是其零霍爾電導，并且在拓撲絕緣體薄膜上下表面有反平行磁化的條件下出現。拓撲絕緣體薄膜上下表面有平行磁化時，量子反常霍爾效應可能出現。因此，在精心設計的磁性摻雜拓撲絕緣體三明治結構中，如果上下表面的磁性摻雜元素不一樣，通過改變磁場，人們可以獨立調節拓撲絕緣體上下兩個表面的磁化狀态，從而實現由量子反常霍爾态到軸子絕緣體态的量子相變。

最近，量子中心林熙研究組和賓州州立大學的Cui-Zu Chang研究組在高質量的磁性摻雜拓撲絕緣體三明治結構中開展了量子反常霍爾态和軸子絕緣體态的極低溫輸運測量，以研究其量子相變。實驗中，我們樣品的軸子絕緣體态至少在1G歐姆的電阻尺度上顯示絕緣特性。通過研究從量子反常霍爾态到軸子絕緣體态的标度行為，實驗發現此相變與量子霍爾效應中平台間的量子相變類似，并且測量得到的臨界指數也與量子霍爾态中的最新模拟計算數值一緻。量子中心的謝心澄教授和蘇州大學的陳垂針基于量子霍爾效應體系的前期研究，對測量到的量子反常霍爾态到軸子絕緣态的量子相變行為和臨界指數值進行了描述和解釋。

圖1. 量子反常霍爾态到軸子絕緣體态相變的标度行為

該工作以“Scaling behavior of the quantum phase transition from a quantum-anomalous-Hall insulator to an axion insulator”為題，于2020年9月10日在Nature Communications上在線刊登。beat365量子材料科學中心的博士生武新宇同學為第一作者。其他作者包括量子中心的孫健同學，賓州州立大學的肖迪博士， 張玲同學，Nitin Samarth教授和Moses. H. W. Chan教授。