近日，復旦大學物理學系張遠波、王靖和中國科學技術大學物理系陳仙輝合作團隊首次通過實驗在本徵磁性拓撲絕緣體錳鉍碲（MnBi2Te4）中觀測到量子反常霍爾效應。該研究將為未來本徵材料體系中拓撲物理的研究開闢新思路。北京時間1月24日，有關研究成果以《本徵磁性拓撲絕緣體錳鉍碲中的量子反常霍爾效應》（「Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4」）為題於《科學》（Science）雜誌在線發表（DOI:10.1126/science.aax8156）。
一般而言，一個材料的電阻依賴於材料的幾何形狀。而量子力學預言了這樣一類材料，它的電阻不再依賴於材料的幾何形狀、缺陷等性質。任意從這種材料的薄膜上切下一塊，它的縱向電阻（Rxx）為零，橫向電阻（Ryx）將是一個精確的物理常數(h/e2,其中h為普朗克常數,e為基本電荷),這就是量子反常霍爾效應。「一沙一世界」——一塊晶體反映了這個宇宙的結構。量子反常霍爾效應正是微觀電子的量子現象在宏觀尺度下精確而完美的體現，也是這個真實世界奇異性的極致體現。此外，量子反常霍爾效應中無損耗的導電邊緣態和量子化的電阻可能在電子學器件、精密測量方面具有應用價值，具有量子反常霍爾效應的材料體系也是實現拓撲量子計算的方案之一。
張遠波課題組製備出了錳鉍碲少層電輸運器件，並在其高質量的五層單晶中分別觀察到了量子反常霍爾效應和常規量子霍爾效應。這也是科學家首次在單一器件裡同時觀測到量子反常霍爾效應和量子霍爾效應。
據介紹，實現量子反常霍爾效應的材料體系需要兼具磁性和拓撲性質, 條件非常苛刻。清華大學薛其坤團隊於2013年首次在磁性原子摻雜的拓撲絕緣體薄膜中觀測到量子反常霍爾效應。該材料中無損耗的導電邊緣態可以在沒有外部磁場的環境下存在，若被應用到電子學器件中，有望解決發熱耗能等問題，推動量子材料領域革命性發展。此後，凝聚態物理學和材料學領域一直在尋找更好的材料體系，希望能夠探索軸子電動力學、分數量子反常霍爾效應等全新未知的物理現象；或在更寬鬆的條件下實現量子反常霍爾效應，拓展其在精密測量、電子學器件方面的應用潛力。
然而，依託摻雜磁性原子的方法所得磁性拓撲絕緣體生長難度大，磁性原子雖作為磁性引入的手段，同時以雜質形式存在於材料之中，使材料質量受到限制，增加了在實驗上獲得高溫高質量的量子反常霍爾效應的難度。直到最近，首個本徵磁性拓撲絕緣體錳鉍碲被理論預言並成功製備，備受研究者矚目。該材料體系無需依賴於外來摻雜，本身兼具磁性和拓撲的雙重屬性，故少層的錳鉍碲有可能實現高溫量子反常霍爾效應。
塊體的錳鉍碲像石墨一樣是層狀的範德瓦爾斯晶體，可以機械解理成少層單晶。張遠波團隊從塊體材料出發，運用之前在二維材料領域發展而來的技術來解理和製備器件，以探索範德瓦爾斯材料中的量子反常霍爾效應及相關的新物理。研究人員剝離獲得三、四、五層錳鉍碲單晶，製備了錳鉍碲的少層電輸運器件，並在外磁場下觀測到由層間反鐵磁耦合帶來的豐富磁結構。
張遠波團隊進而將研究重點轉向高質量的五層單晶，在1.4開爾文、零磁場條件下觀測到量子反常霍爾效應；並且在同一塊樣品加入載流子後在高磁場中進一步觀測到常規的量子霍爾效應。令研究團隊感到驚喜的是，從塊體材料出發製備的本徵磁性拓撲絕緣體少層單晶的質量已經可與最好的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜媲美，而這僅僅是對於該材料研究的起點，以錳鉍碲為代表的這類範德瓦爾斯材料將為未來的研究提供更多的可能性。基於以上發現，團隊將進一步探索量子反常霍爾效應以及相關的新物理。
A：少層MnBi2Te4單晶的電輸運器件；B：五層MnBi2Te4的原子結構；C：五層MnBi2Te4單晶中的量子反常霍爾效應。
復旦大學物理學系教授張遠波、中國科學技術大學物理系教授陳仙輝、復旦大學物理學系教授王靖為論文共同通訊作者，王靖教授預言了錳鉍碲少層中的拓撲現象，為實驗提供了理論支持，陳仙輝教授課題組和六碳科技許子寒負責塊體材料生長，為實驗提供了高質量單晶，張遠波教授課題組從塊體單晶出發製備了器件並進行了測量。復旦大學物理學系博士生鄧雨君、博士後於逸駿、中科大物理系博士生石孟竹為論文共同第一作者。