清華大學王亞愚／張金松等NatureCommun.

　　以拓撲絕緣體為代表的拓撲量子材料是近年來凝聚態物理的重要研究領域。由于非平庸的拓撲能帶結構，拓撲絕緣體與真空的邊界上會出現無能隙的金屬性拓撲表面態。在二維非磁性拓撲絕緣體中，由于時間反演對稱性的保護，這種拓撲表面態由一對自旋相反、運動方向相反的一維螺旋式邊緣態 (helical edge state) 構成。在磁性拓撲絕緣體中，由于時間反演對稱性的破缺，兩支對流的邊緣態中只會保留一支手性的邊緣態(chiral edge state)，從而產生量子反常霍爾效應態，也叫做陳絕緣體態。此前關于陳絕緣體的實驗研究主要關注低磁場下的量子化行為，而陳絕緣體在強磁場下的演化規律還是一個未知的領域。

　　最近，清華大學低維量子物理國家重點實驗室的王亞愚、張金松實驗組和華中科技大學脈沖強磁場中心合作，發展了脈沖強磁場下微納器件的輸運測量技術，在本征磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4中發現了陳絕緣體在高達61特斯拉的超強磁場下存在一個以零級霍爾平臺和螺旋式邊緣態輸運為典型特征的新拓撲物態。

　　在過去兩年里，本征磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4在凝聚態物理領域引起了廣泛關注。該研究團隊與清華大學機械工程系吳揚研究組合作，在機械解理的MnBi2Te4單晶薄層中實現了陳絕緣體和軸子絕緣體兩種拓撲量子態(Nature Materials 19, 522 (2020))。他們的研究發現，當MnBi2Te4的費米能被柵極電壓(Vg)調到帶隙中間區域時，樣品在外磁場的誘導下進入鐵磁陳絕緣體態，在輸運上表現為縱向電阻幾乎消失，霍爾電阻達到負一倍量子電阻(-h/e2)，如圖1a上方黑色虛線所示。令人意外的是，在強磁場區間霍爾電阻被壓制到一個非常寬的零級平臺上，同時原已消失的縱向電阻開始出現，在半整數量子電阻(0.5 h/e2)的位置左右形成平臺(圖1a下方黑色虛線所示)，隨后迅速上升。隨著費米能被Vg調向價帶，零級平臺展示出了強大的穩定性，在某些Vg下零級平臺的寬度可以達到50特斯拉(如圖1b上方數據所示)。隨著費米能被調到價帶和導帶更深的位置，如圖1c和1d所示，MnBi2Te4在強磁場下展現出由于朗道能級造成的整數量子霍爾效應。然而與傳統的量子霍爾效應不同，無論費米能位于導帶、價帶還是能隙中，霍爾電阻在強磁場下都會趨向于零級平臺。

圖1：7層MnBi2Te4樣品中陳絕緣體隨著柵極電壓Vg和磁場μ0H的演化。a，費米能位于帶隙中間附近。b，費米能位于價帶頂端。c-d，費米能位于價帶和導帶深處。上方數據表示霍爾電阻Ryx，下方數據表示縱向電阻Rxx。

　　通過與物理系徐勇研究組開展理論合作，該團隊提出了強磁場中朗道能級和塞曼效應(Zeeman effect)誘導的能帶反轉協同作用的圖像來解釋實驗數據。能帶理論計算表明，MnBi2Te4在鐵磁陳絕緣體態的能帶由一對拓撲平庸 (藍色)和一對拓撲非平庸的(紅色)能帶構成，這兩者分別貢獻了陳數0和-1(圖2a)。隨著磁場的增加，導帶和價帶中電子的軌道運動形成朗道能級，因此當費米能位于價帶頂附近時，原本陳數為-1的紅色能帶和陳數為+1的空穴型朗道能級共同貢獻了一個零級平臺。另一方面，由于自旋取向不同，更強磁場下的塞曼效應使得原本拓撲平庸的能帶發生反轉，同時原本價帶中貢獻+1的朗道能級轉移到導帶，因此當費米能位于帶隙中時(黑色虛線)，兩套陳數相反的拓撲能帶貢獻了零級平臺。為了驗證陳數符號相反的螺旋式邊緣態的存在，該團隊研究了不同器件構型下的邊緣態輸運(圖2b)，并測量到只有螺旋式邊緣態才能貢獻的量子化非定域電阻。

圖2：MnBi2Te4能帶結構在磁場下的演化以及非定域測量中螺旋式邊緣態的跡象。a，考慮塞曼效應和朗道能級的能帶結構演化以及邊緣態形成原理的示意圖。b，不同構型下兩端電阻、三端電阻以及非定域電阻隨磁場的變化。

　　該項工作首次發現陳絕緣體在強磁場作用下演化到一個具有螺旋式邊緣態的新拓撲量子態，對于研究磁有序與拓撲的相互作用，以及在極端條件下創造新奇拓撲量子物態具有重要價值。該項成果以“Magnetic-field-induced robust zero Hall plateau state in MnBi2Te4 Chern insulator”為題發表在7月30日的Nature Communications上。清華大學物理系和北京量子信息科學研究院的劉暢博士、未來芯片技術高精尖創新中心的王永超和武漢脈沖強磁場中心的楊明博士為文章的共同第一作者。該項工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京量子信息科學研究院以及北京未來芯片技術高精尖創新中心的支持。

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25002-x