《自然》：量子絕緣體為電子創(chuàng)造了多道高速公路
在最新一期的《自然》雜志上刊登了一篇重要論文，科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了一種量子現(xiàn)象，即所謂的高陳氏數(shù)量子異常霍爾效應(yīng)（high Chern number quantum anomalous Hall）。
論文作者中絕大多數(shù)為中國(guó)學(xué)者。量子霍爾效應(yīng)是霍爾效應(yīng)的量子力學(xué)版本�；魻栃�(yīng)指當(dāng)固體導(dǎo)體放置在一個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)，且有電流通過(guò)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產(chǎn)生電壓（霍爾電壓）的現(xiàn)象。
量子異�；魻枲顟B(tài)是一種二維拓?fù)浣^緣狀態(tài)，其量化的霍爾電阻為h/Ce^2），并且在零磁場(chǎng)下，其中h是普朗克常數(shù)、e是元素電荷、而陳氏數(shù)C是一個(gè)整數(shù)。量子異�；魻栃�(yīng)已在磁性拓?fù)浣^緣體和魔角扭曲雙層石墨烯中實(shí)現(xiàn)。
但是，到目前為止，僅在C=1時(shí)才實(shí)現(xiàn)了零磁場(chǎng)下的量子異常霍爾效應(yīng)。在此研究中，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了由交替磁和無(wú)摻雜拓?fù)浣^緣體組成的多層結(jié)構(gòu)中具有高達(dá)C=5的可調(diào)陳氏數(shù)的量化量子異�；魻栃�(yīng)。如圖所示該研究的堆疊了磁性和非磁性拓?fù)浣^緣體的交替層，并操縱了稱為陳氏數(shù)（C）的拓?fù)淞�，以在材料的每一�?cè)為電子創(chuàng)建多達(dá)5條平行的高速公路。下圖：實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種高陳氏數(shù)量子異�；魻栃�(yīng)效應(yīng)（陳氏數(shù)為1到5）。
得益于研究證明了量子異常霍爾效應(yīng)，在電流沿著材料邊緣流動(dòng)時(shí)電流不會(huì)在更大范圍內(nèi)失去能量，新的節(jié)能電子設(shè)備才有可能實(shí)現(xiàn)。賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了多層絕緣體中的量子異�；魻栃�(yīng)，本質(zhì)上產(chǎn)生了一條多道高速公路來(lái)傳輸電子，這可以提高信息傳輸?shù)乃俣群托剩粫?huì)損失能量。
論文作者之一、賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)助理教授張翠祖說(shuō)：“低能耗是電子設(shè)備的關(guān)鍵，因此，人們對(duì)提高電子流效率的材料進(jìn)行了大量研究。” “大多數(shù)金屬中電子數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致一種交通阻塞，因?yàn)檠夭煌较蛞苿?dòng)的電子會(huì)相互散射并排斥。但是在量子異常霍爾效應(yīng)絕緣子中，電子流被限制在邊緣，并且邊緣上的電子只能向邊緣移動(dòng)。在這個(gè)研究中，我們制造了量子異�；魻栃�(yīng)絕緣子，可以將其分層放置以在彼此之上創(chuàng)建平行的高速公路，就像將一條道路分成兩車道的高速公路一樣。 ”
量子異�；魻栃�(yīng)絕緣子是用一種稱為拓?fù)浣^緣子的材料制成的，該材料是一層薄薄的，厚度只有幾十個(gè)原子的薄膜，這些材料已經(jīng)過(guò)磁性，因此只能沿邊緣傳導(dǎo)電流。為了使拓?fù)浣^緣體具有磁性，研究人員通過(guò)稱為稀釋磁摻雜的過(guò)程將磁性雜質(zhì)添加到材料中。在這項(xiàng)研究中，研究小組使用了一種稱為分子束外延的技術(shù)來(lái)制造多層拓?fù)浣^緣體，從而仔細(xì)控制發(fā)生磁摻雜的位置。
論文作者之一、賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)副教授劉朝興說(shuō)：“ 量子異�；魻栃�(yīng)絕緣子特別令人感興趣，因?yàn)樗鼈冊(cè)诶碚撋蠜]有能量耗散，這意味著當(dāng)電流沿著邊緣流動(dòng)時(shí)，電子不會(huì)以熱的形式損失能量。” “這種獨(dú)特的性能使量子異常霍爾效應(yīng)絕緣子成為用于量子計(jì)算機(jī)和其他小型，快速電子設(shè)備的理想選擇。”
在先前的研究中，僅在陳氏數(shù)為1的材料中通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了量子異�；魻栃�(yīng)，該材料基本上具有一條電子的兩道高速公路。在這項(xiàng)研究中，研究人員堆疊了磁性和非磁性拓?fù)浣^緣體的交替層，并能夠?qū)崿F(xiàn)陳氏數(shù)高達(dá)5的量子異常霍爾效應(yīng)狀態(tài)，本質(zhì)上在材料的每一側(cè)構(gòu)造了5條平行的電子高速公路，總共10條電子車道。
劉教授說(shuō)：“我們確實(shí)在量子異常霍爾效應(yīng)絕緣子和金屬電極之間的連接點(diǎn)處散發(fā)了一些電流，這些電流以熱的形式發(fā)生。” “您可以將其想象為繁忙的高速公路的上下坡道，在此處狹窄的合并車道進(jìn)入本地交通會(huì)使您減速。通過(guò)建立更多平行的高速公路，更多的合并車道可以將高速公路連接到本地交通，從而使總體整個(gè)交通系統(tǒng)的速度可以大大提高。”
研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加量子異�；魻栃�(yīng)絕緣體層的厚度或控制量子異常霍爾效應(yīng)層中的磁性摻雜濃度，他們可以調(diào)整樣品的陳氏數(shù)。張教授說(shuō)：“換句話說(shuō)，我們可以使用外部旋鈕改變高速公路的車道數(shù)量。” “即使在高陳氏數(shù)的情況下，量子異�；魻栃�(yīng)絕緣子沿邊緣通道也沒有損耗。這為利用這種無(wú)損耗邊緣電流的器件提供了概念驗(yàn)證。”
在這項(xiàng)研究中，研究人員精心制作了具有不同陳氏數(shù)的單獨(dú)量子異�；魻栃�(yīng)絕緣子。將來(lái)，他們希望開發(fā)一種技術(shù)來(lái)調(diào)整已經(jīng)制造的樣本的陳氏數(shù)，以“實(shí)時(shí)”控制信息高速公路中的電子流量。
