Het Quantum Hall-effect (QHE) is een van de belangrijkste ontdekkingen in de natuurwetenschappen. Vanwege de eendimensionale (1-D) dissipatieloze randtoestanden, QHE vertoont exotische transporteigenschappen met gekwantiseerde Hall-weerstand van h/νe2 en verdwijnende longitudinale weerstand. Hier, h is de constante van Planck, ν is Landau-vulfactor en e is elektronenlading. QHE komt meestal voort uit de vorming van een opmerkelijke energiekloof en de gebroken tijdomkeringssymmetrie, waarvoor materialen met een hoge mobiliteit nodig zijn, hoog magnetisch veld en ultralage temperatuur. Deze rigoureuze voorwaarden beperken de diepgaande verkenning en brede toepassingen van QHE aanzienlijk. In 1988, Haldane stelde theoretisch voor dat QHE kan worden gerealiseerd zonder een extern magnetisch veld aan te leggen, d.w.z. Chern-isolatortoestand of kwantum abnormaal Hall-effect (QAHE).

In 2013, QAHE met Chern nummer C=1 werd experimenteel waargenomen in dunne films van met chroom gedoteerd (Bi, sb) ₂ Te ₃ bij een temperatuur tot 30 mK. Daarna, Haldane ontving in 2016 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn vroege theoretische werken over topologische fasen van materie, waaronder de voorspelling van QAHE. De 1D dissipatieloze randtoestanden van Chern-isolatoren bieden een mogelijke oplossing voor de onvermijdelijke verwarming in geïntegreerde schakelingen. In het algemeen, slechts één 1-D dissipatieloze randtoestand kan worden gerealiseerd bij ultralage temperaturen in magnetisch gedoteerde topologische isolatoren, wat verre van de toepassingsvereisten is. Daarom, het realiseren van meerdere dissipatieloze randtoestanden en het verhogen van de werktemperatuur van Chern-isolatortoestanden zijn niet alleen de belangrijkste onderzoeksonderwerpen in de natuurwetenschappen, maar zal ook naar verwachting de ontwikkeling van elektronica met een laag verbruik en geïntegreerde schakelingen bevorderen.

Onlangs, een onderzoekssamenwerking onder leiding van professor Wang Jian aan de Universiteit van Peking, Professor Xu Yong en professor Wu Yang van de Tsinghua University hebben Chern-isolatoren met een hoog Chern-getal en hoge temperatuur in MnBi ontdekt ₂ Te ₄ apparaten, wat een grote doorbraak betekent in Chern-isolatoren en topologische kwantumtoestanden.

MnBi ₂ Te ₄ is een gelaagd magnetisch topologisch materiaal. Zoals getoond in Fig. 1a, monolaag MnBi ₂ Te ₄ omvat zeven atoomlagen, het vormen van een Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te zevenvoudige laag (SL), die kan worden gezien als het intercaleren van een Mn-Te dubbellaag in het midden van een Bi ₂ Te ₃ vijfvoudige laag. MnBi ₂ Te ₄ vertoont ferromagnetische (FM) orde binnen SL en anti-ferromagnetische (AFM) orde tussen aangrenzende SL's met een gemakkelijke as buiten het vlak. Theoretische berekeningen tonen aan dat er verschillende exotische topologische toestanden te verwachten zijn in MnBi ₂ Te ₄ , zoals QAHE in oneven SLs-films, axion-isolatortoestand in zelfs SLs-films, AFM topologische isolator bij nul magnetisch veld en magnetisch Weyl-halfmetaal onder loodrecht magnetisch veld in bulk. Overvloedige exotische topologische toestanden en gelaagde structuur maken MnBi ₂ Te ₄ een uitstekend platform voor observatie en modulatie van topologische kwantumtoestanden.

De onderzoekers fabriceerden verschillende MnBi ₂ Te ₄ apparaten met verschillende diktes. In 9-SL en 10-SL MnBi ₂ Te ₄ apparaten, een Hall-weerstandsplateau met een hoogte van h / 2e2 vergezeld van bijna verdwijnende longitudinale weerstand wordt waargenomen door een loodrecht magnetisch veld van 5 T aan te leggen, wat kenmerkend is voor de Chern-isolator met twee dissipatieloze randtoestanden (C =2) (figuur 1b). interessanter, de C=2 Chern-isolatortoestand in 10-SL MnBi ₂ Te ₄ apparaat kan aanhouden boven 10 K (Fig. 1c, NS). Dit is de eerste experimentele ontdekking van meerdere dissipatieloze randtoestanden boven de temperatuur van vloeibaar helium.

De onderzoekers bestudeerden verder de invloed van de dikte van MnBi ₂ Te ₄ apparaten op Chern-nummer. In 7-SL en 8-SL MnBi ₂ Te ₄ apparaten, een gekwantiseerd Hall-weerstandsplateau h / e2 vergezeld van bijna verdwijnende longitudinale weerstand, d.w.z. Chern-isolatortoestand met C =1 wordt waargenomen. Belangrijker, het Hall-plateau vertoont bijna gekwantiseerde weerstand, zelfs bij 45 K in 7-SL MnBi ₂ Te ₄ apparaat (Fig. 2a-c) en boven 30 K in 8-SL MnBi ₂ Te ₄ apparaat (Fig. 2d-f), die duidelijk hoger zijn dan de Néel-temperatuur (ongeveer 22 K) van MnBi ₂ Te ₄ apparaten.

De waargenomen hoog-Chern-nummer en hoge temperatuur Chern-isolatortoestanden vereisen het toepassen van een zwak magnetisch veld vanwege de antiferromagnetische aard van MnBi ₂ Te ₄ bij nul magnetisch veld. Omdat de gewone QHE ook aanleiding kan geven tot gekwantiseerd Hall-weerstandsplateau en verdwijnende longitudinale weerstand, het is noodzakelijk om de invloed van Landau-niveaus (LL's) veroorzaakt door extern magnetisch veld op de bevindingen uit te sluiten. De onderzoekers schatten eerst de mobiliteit van MnBi ₂ Te ₄ apparaten, die blijkt te variëren van 100 tot 300 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Een dergelijke lage mobiliteit vereist een extern magnetisch veld van meer dan 30 T om QHE met LL's te observeren, dat veel hoger is dan het magnetische kwantisatieveld in onze MnBi ₂ Te ₄ apparaten. De onderzoekers toonden verder aan dat het teken van het Chern-nummer onveranderd blijft met het draaggolftype bij het toepassen van backgate-spanningen, het ondubbelzinnig uitsluiten van de mogelijkheid van de gewone QHE met LL's.

De oorsprong van de waargenomen isolatortoestanden in Chern wordt onthuld door theoretische berekeningen. Ferromagnetische MnBi ₂ Te ₄ wordt voorspeld als het eenvoudigste magnetische Weyl-halfmetaal, die slechts één paar Weyl-punten (WP's) heeft nabij het Fermi-niveau. Kwantumopsluiting leidt tot de Chern-isolatortoestand en het laagafhankelijke Chern-nummer in MnBi met een paar lagen ₂ Te ₄ , waardoor het bestaan ​​van meerdere dissipatieloze randtoestanden in de bulkband gap mogelijk is, wat in overeenstemming is met de experimentele bevindingen. De ontdekking van de Chern-isolatortoestand met een hoog aantal Chern levert ook experimenteel bewijs op een manier voor de magnetische Weyl-halfmetaaltoestand in MnBi ₂ Te ₄ .

De Chern-isolatortoestanden met een hoog Chern-getal en hoge temperatuur die zijn ontdekt in de intrinsieke magnetische topologische materialen, zullen de verkenning op QAHE bij hogere temperatuur en zelfs bij kamertemperatuur stimuleren, en de weg vrijmaken voor grote doorbraken in de natuurkunde, materiaalkunde en informatietechnologie.

Het artikel getiteld "High-Chern-Number and High-Temperature Quantum Hall Effect without Landau Levels, " werd online gepubliceerd in Nationale wetenschappelijke recensie .