作為一種磁性拓撲絕緣體，錳铋碲晶體（MnBi₂Te₄）自被發現以來一直備受關注；其量子化現象一般在實驗中通過外磁場輔助來觀測。一方面，磁場誘導的交換能隙使得量子反常霍爾相更容易被測度，然而另一方面，強磁場也會誘導量子霍爾效應，因此，對于實驗觀測到的拓撲相是量子霍爾相、量子反常霍爾相或二者的共存相，尚存疑問。通常情況下，實驗制備的MnBi₂Te₄擁有極低的遷移率（74 cm²·V^-1·s^-1～1500 cm²·V^-1·s^-1），在這類系統中安德森局域化會起到關鍵作用。

近日，beat365官方网站量子材料科學中心謝心澄院士課題組與蘇州大學物理科學與技術學院江華教授、陳垂針教授合作，提出了量子霍爾效應和量子反常霍爾效應共存的物理圖像（下圖）：在無磁場的情況下，安德森無序使得體态電子被局域化，體系表現為陳數C=1的量子反常霍爾态；而在強磁場下，被局域化的體态電子因能夠形成朗道能級而形成對應的量子霍爾邊緣态，使得量子霍爾邊緣态和量子反常霍爾邊緣态共存，體系表現為陳數C=2。因此，聯合研究團隊将實驗上觀察到的霍爾平台解釋為發生了從量子反常霍爾态到量子反常霍爾效應與量子霍爾效應共存态的相變，并預言了更多待實驗驗證的共存相及其所具有的更高的陳數。

強磁場下無序MnBi₂Te₄中量子霍爾相和量子反常霍爾相共存的圖像（a）、固定費米面的霍爾電阻（b）和相應的相圖（c）

2021年12月3日，相關研究成果以“無序磁性拓撲絕緣體MnBi₂Te₄中量子霍爾相與反常量子霍爾相的共存”（Coexistence of quantum Hall and quantum anomalous Hall Phases in disordered MnBi₂Te₄）為題在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）；beat365官方网站量子材料科學中心2017級博士研究生李海龍和陳垂針為共同第一作者，謝心澄和江華為共同通訊作者。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等及中國科學院拓撲量子計算卓越創新中心支持。

原文鍊接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.236402