《自然》：量子绝缘体为电子创造了多道高速公路
在最新一期的《自然》杂志上刊登了一篇重要论文，科学家通过实验证明了一种量子现象，即所谓的高陈氏数量子异常霍尔效应（high Chern number quantum anomalous Hall）。
论文作者中绝大多数为中国学者。量子霍尔效应是霍尔效应的量子力学版本。霍尔效应指当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压（霍尔电压）的现象。
量子异常霍尔状态是一种二维拓扑绝缘状态，其量化的霍尔电阻为h/Ce^2），并且在零磁场下，其中h是普朗克常数、e是元素电荷、而陈氏数C是一个整数。量子异常霍尔效应已在磁性拓扑绝缘体和魔角扭曲双层石墨烯中实现。
但是，到目前为止，仅在C=1时才实现了零磁场下的量子异常霍尔效应。在此研究中，科学家实现了由交替磁和无掺杂拓扑绝缘体组成的多层结构中具有高达C=5的可调陈氏数的量化量子异常霍尔效应。如图所示该研究的堆叠了磁性和非磁性拓扑绝缘体的交替层，并操纵了称为陈氏数（C）的拓扑量，以在材料的每一侧为电子创建多达5条平行的高速公路。下图：实验结果证明了这种高陈氏数量子异常霍尔效应效应（陈氏数为1到5）。
得益于研究证明了量子异常霍尔效应，在电流沿着材料边缘流动时电流不会在更大范围内失去能量，新的节能电子设备才有可能实现。宾夕法尼亚州立大学的研究小组通过实验实现了多层绝缘体中的量子异常霍尔效应，本质上产生了一条多道高速公路来传输电子，这可以提高信息传输的速度和效率，而不会损失能量。
论文作者之一、宾夕法尼亚州立大学物理学助理教授张翠祖说：“低能耗是电子设备的关键，因此，人们对提高电子流效率的材料进行了大量研究。” “大多数金属中电子数量的增加会导致一种交通阻塞，因为沿不同方向移动的电子会相互散射并排斥。但是在量子异常霍尔效应绝缘子中，电子流被限制在边缘，并且边缘上的电子只能向边缘移动。在这个研究中，我们制造了量子异常霍尔效应绝缘子，可以将其分层放置以在彼此之上创建平行的高速公路，就像将一条道路分成两车道的高速公路一样。 ”
量子异常霍尔效应绝缘子是用一种称为拓扑绝缘子的材料制成的，该材料是一层薄薄的，厚度只有几十个原子的薄膜，这些材料已经过磁性，因此只能沿边缘传导电流。为了使拓扑绝缘体具有磁性，研究人员通过称为稀释磁掺杂的过程将磁性杂质添加到材料中。在这项研究中，研究小组使用了一种称为分子束外延的技术来制造多层拓扑绝缘体，从而仔细控制发生磁掺杂的位置。
论文作者之一、宾夕法尼亚州立大学物理学副教授刘朝兴说：“ 量子异常霍尔效应绝缘子特别令人感兴趣，因为它们在理论上没有能量耗散，这意味着当电流沿着边缘流动时，电子不会以热的形式损失能量。” “这种独特的性能使量子异常霍尔效应绝缘子成为用于量子计算机和其他小型，快速电子设备的理想选择。”
在先前的研究中，仅在陈氏数为1的材料中通过实验实现了量子异常霍尔效应，该材料基本上具有一条电子的两道高速公路。在这项研究中，研究人员堆叠了磁性和非磁性拓扑绝缘体的交替层，并能够实现陈氏数高达5的量子异常霍尔效应状态，本质上在材料的每一侧构造了5条平行的电子高速公路，总共10条电子车道。
刘教授说：“我们确实在量子异常霍尔效应绝缘子和金属电极之间的连接点处散发了一些电流，这些电流以热的形式发生。” “您可以将其想象为繁忙的高速公路的上下坡道，在此处狭窄的合并车道进入本地交通会使您减速。通过建立更多平行的高速公路，更多的合并车道可以将高速公路连接到本地交通，从而使总体整个交通系统的速度可以大大提高。”
研究人员发现，通过增加量子异常霍尔效应绝缘体层的厚度或控制量子异常霍尔效应层中的磁性掺杂浓度，他们可以调整样品的陈氏数。张教授说：“换句话说，我们可以使用外部旋钮改变高速公路的车道数量。” “即使在高陈氏数的情况下，量子异常霍尔效应绝缘子沿边缘通道也没有损耗。这为利用这种无损耗边缘电流的器件提供了概念验证。”
在这项研究中，研究人员精心制作了具有不同陈氏数的单独量子异常霍尔效应绝缘子。将来，他们希望开发一种技术来调整已经制造的样本的陈氏数，以“实时”控制信息高速公路中的电子流量。
