Science编辑精选｜物理高亮报道：调控陈数学术资讯

来源：ScienceAAAS

译者：葛军，刘彦昭，王健

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反铁磁材料MnBi2Te4薄膜中可以实现许多有趣的拓扑态。葛军等人研究了七到十层的MnBi2Te4薄膜在磁场下的输运性质。他们发现薄膜表现出无法用传统的量子霍尔效应解释的量子化电导，即处于所谓的陈绝缘体态。其中，较薄的七层样品处于陈数为1的陈绝缘体态，然而九层和十层的样品则处于一个更加神奇的陈数为2的陈绝缘体态。陈数随样品厚度调控的实验发现也得到了数值计算结果的支持。

“调控陈数”实验结果图

图1：(a)两层MnBi2Te4的原子结构与层间反铁磁态示意图；(b)10层MnBi2Te4器件中非朗道能级引起的高陈数(C=2)量子霍尔效应。图中横坐标是外加垂直磁场，左侧、右侧纵坐标分别是霍尔电阻(Ryx)和纵向电阻(Rxx)。MnBi2Te4在零磁场下是反铁磁相，通过施加约5T的垂直磁场，10层的MnBi2Te4器件进入铁磁态，霍尔电阻形成了一个值为1/2个量子电阻(h/2e2)的平台，代表两个无耗散边界态的出现；与此同时纵向电阻趋近于零，这是陈数(C)为2的陈绝缘体态的典型特征；(c),(d) 非朗道能级引起的高陈数(C=2)量子霍尔效应变温结果。13 K时，霍尔电阻平台的值仍能达到0.97 h/2e2，同时纵向电阻低于0.026 h/2e2；(e)具有两个无耗散边界态的陈绝缘体态(C=2)示意图。

图改编自：Natl. Sci. Rev. 10.1093/nsr/nwaa089 (2020).

图2：(a)，(b)7层MnBi2Te4器件中非朗道能级引起的C=1的高温量子霍尔效应。通过施加一定的垂直磁场，MnBi2Te4器件由反铁磁(AFM)态变为铁磁(FM)态，霍尔电阻(Ryx，(a)图)形成值为1个量子电阻(h/e2)的平台，与此同时纵向电阻(Rxx，(b)图)趋近于零。45 K时，霍尔电阻平台仍能超过90%的量子电阻，且纵向电阻小于霍尔电阻；(c) 7层MnBi2Te4器件中非朗道能级引起的C=1的高温量子霍尔效应相图。7层MnBi2Te4器件的量子化温度高达45 K，显著高于7层MnBi2Te4器件的反铁磁转变温度(奈尔温度，约为21 K)；(d)，(e)8层MnBi2Te4器件中非朗道能级引起的C=1的高温量子霍尔效应。30 K时，霍尔电阻(Ryx，(d)图)平台仍能达到0.97h/e2，且纵向电阻(Rxx，(e)图)趋近于零；(f)8层MnBi2Te4器件中非朗道能级引起的C=1的高温量子霍尔效应相图。8层MnBi2Te4器件的量子化温度超过30 K，明显高于8层MnBi2Te4器件的反铁磁转变温度(约为22.5 K)。

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