量子霍爾效應在物質(zhì)科學和精密測量領域都極為重要。要產(chǎn)生量子霍爾效應，需要體系形成顯著的能隙和強烈破壞時間反演對稱。通常這需要三個不可或缺的前提條件：物質(zhì)材料極高的遷移率、強外加磁場、極低溫。這些苛刻的條件極大地限制了量子霍爾效應的實際應用。

在此背景下，能否在高溫弱磁場（甚至無磁場）下實現(xiàn)量子霍爾效應，成為了物理學研究的重大課題。1988年，美國物理學家霍爾丹首次提出了一種無需外磁場的量子霍爾效應（同一物態(tài)也被稱為陳絕緣體態(tài)或量子反?；魻栃崿F(xiàn)方案。在2013年，薛其坤院士領導的研究團隊在Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜中觀測到了陳數(shù)為1(C=1)的陳絕緣體態(tài)，即量子反常霍爾效應。磁性原子摻雜導致了自發(fā)磁化，因此量子反?；魻栃膶崿F(xiàn)無需施加外磁場。相較于量子霍爾效應，量子反?；魻栃瑯泳哂袩o耗散的導電邊界態(tài)，且更有利于實現(xiàn)低耗散電子器件?；魻柕ひ蛟缙诘睦碚擃A測等工作，榮獲了2016年諾貝爾物理獎。 但是，前期的量子反常霍爾效應方案只能提供單個無耗散的導電邊界態(tài)，且需要極低溫的工作環(huán)境。因此，如何實現(xiàn)更多的無耗散導電邊界態(tài)，如何提高量子反?；魻栃墓ぷ鳒囟?，不僅是物質(zhì)科學領域最為重要的研究方向之一，也有望推動無耗散或低耗散電子器件與集成電路的發(fā)展。 最近，北京大學物理學院量子材料科學中心王健教授、清華大學物理系徐勇副教授、清華大學機械學院吳揚副研究員等組成的合作團隊在磁性拓撲材料的量子霍爾效應研究上取得了重要突破，在錳鉍碲(MnBi2Te4)中發(fā)現(xiàn)了非朗道能級引起的高陳數(shù)和高溫量子霍爾效應。該工作在線發(fā)表于《國家科學評論》(National Science Review) ，北京大學王健教授與清華大學徐勇副教授為文章共同通訊作者，北京大學博士生葛軍、劉彥昭與清華大學博士生李佳恒、李昊為共同第一作者。

研究團隊在磁性拓撲材料MnBi2Te4的少數(shù)層電輸運器件中，首次發(fā)現(xiàn)了具有兩個無耗散邊界態(tài)且工作溫度高于10開爾文的陳絕緣體態(tài)（高陳數(shù)陳絕緣體）。此外，通過降低樣品厚度，團隊首次在高達45開爾文的溫度（超過奈爾溫度）下觀測到了具有單個無耗散邊界態(tài)的陳絕緣體態(tài)（高溫陳絕緣體）。這些發(fā)現(xiàn)表明，如果能夠選取合適的材料與參數(shù)，未來有望實現(xiàn)室溫陳絕緣體態(tài)或量子反?；魻栃谡嬲饬x上構筑無耗散或低耗散的信息高速公路，帶來信息科學與技術方面的變革。

(a) 兩層MnBi2Te4的原子結(jié)構示意圖；(b) 非朗道能級引起的高陳數(shù) (C=2)量子霍爾效應；(c) 具有兩個無耗散邊界態(tài)的陳絕緣體態(tài)示意圖；(d),(e) 非朗道能級引起的高溫量子霍爾效應 (C=1)；(f)非朗道能級引起的高溫量子霍爾效應相圖 (C=1)。 MnBi2Te4是一種新型的層狀磁性拓撲材料，如圖a所示，單層MnBi2Te4在單胞中包含7個原子層，形成Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te七重層，可以將其看作是將Mn-Te雙層插入到了Bi2Te3五重層的中心。 研究人員制備出了多個不同厚度的MnBi2Te4電輸運器件。在9層和10層的器件中，霍爾電阻在約5 特斯拉的磁場下形成了一個值為1/2個量子電阻的平臺，這代表著兩個無耗散邊界態(tài)的出現(xiàn)；與此同時，縱向電阻趨近于零，這是陳數(shù)為2的陳絕緣體態(tài)的典型特征（圖b，c）。其中，10層器件的高陳數(shù)陳絕緣體態(tài)可以一直保持到10 開爾文以上的溫度。 研究人員進一步研究了厚度對陳絕緣體態(tài)的影響。在7層和8層的器件中，通過施加一定的磁場，觀測到了值為1個量子電阻的霍爾平臺和同時趨近于零的縱向電阻，也就是陳數(shù)為1的陳絕緣體態(tài)。更重要的是，7層器件中的量子化溫度高達45開爾文（圖d, e），8層器件中的量子化溫度也超過了30開爾文，顯著高于器件的反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度（奈爾溫度，器件中約為22開爾文）。圖f中的相圖清晰展示了7層器件中陳絕緣體態(tài)隨溫度變化的演變過程。 研究團隊觀測到的高溫和高陳數(shù)的量子霍爾效應需要外加弱磁場才能實現(xiàn)，這是因為MnBi2Te4在零磁場下為反鐵磁相而非鐵磁相。由于傳統(tǒng)的量子霍爾效應同樣可以產(chǎn)生量子化的霍爾平臺，所以有必要排除外加磁場產(chǎn)生朗道能級對實驗結(jié)果的影響。研究人員分析了被測試器件的遷移率，發(fā)現(xiàn)所測試器件的遷移率在100-300 cm2 V?1 s?1范圍內(nèi)。在這樣的遷移率下，要想看到由朗道量子化導致的量子霍爾效應，通常需要施加30 特斯拉以上的磁場，遠大于實驗中觀測到量子化霍爾平臺所需的磁場值。此外，研究人員通過柵壓調(diào)控等手段改變了器件的載流子類型，發(fā)現(xiàn)量子化的霍爾平臺值與器件的載流子類型無關，排除了量子化的霍爾平臺來自外加磁場的可能性。 通過理論計算，研究人員揭示了實驗中觀測到的陳絕緣體態(tài)的來源。面外鐵磁排列的MnBi2Te4塊材可以實現(xiàn)理論上最簡單的磁性外爾半金屬，僅在費米面附近存在一對外爾點。將其剝離為薄膜器件材料時，由于量子限域效應的存在，少層的MnBi2Te4器件表現(xiàn)為陳絕緣體，并且系統(tǒng)的陳數(shù)隨層厚而變化，在體能隙中可以容納多個無耗散的導電通道。這一理論預言與上述實驗結(jié)果相契合。高陳數(shù)陳絕緣體的發(fā)現(xiàn)也為MnBi2Te4中存在磁性外爾半金屬態(tài)提供了間接證據(jù)。 在磁性拓撲材料中發(fā)現(xiàn)高陳數(shù)以及高溫陳絕緣體態(tài)，必將激勵面向室溫的量子反?；魻栃嚓P研究，為未來物理、材料、信息科技領域的重大突破奠定基礎。