《自然》：量子絕緣體為電子創(chuàng)造了多道高速公路
在最新一期的《自然》雜志上刊登了一篇重要論文，科學家通過實驗證明了一種量子現(xiàn)象，即所謂的高陳氏數量子異�；魻栃╤igh Chern number quantum anomalous Hall）。
論文作者中絕大多數為中國學者。量子霍爾效應是霍爾效應的量子力學版本�；魻栃府敼腆w導體放置在一個磁場內，且有電流通過時，導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產生電壓（霍爾電壓）的現(xiàn)象。
量子異�；魻枲顟B(tài)是一種二維拓撲絕緣狀態(tài)，其量化的霍爾電阻為h/Ce^2），并且在零磁場下，其中h是普朗克常數、e是元素電荷、而陳氏數C是一個整數。量子異�；魻栃言诖判酝負浣^緣體和魔角扭曲雙層石墨烯中實現(xiàn)。
但是，到目前為止，僅在C=1時才實現(xiàn)了零磁場下的量子異常霍爾效應。在此研究中，科學家實現(xiàn)了由交替磁和無摻雜拓撲絕緣體組成的多層結構中具有高達C=5的可調陳氏數的量化量子異�；魻栃Ｈ鐖D所示該研究的堆疊了磁性和非磁性拓撲絕緣體的交替層，并操縱了稱為陳氏數（C）的拓撲量，以在材料的每一側為電子創(chuàng)建多達5條平行的高速公路。下圖：實驗結果證明了這種高陳氏數量子異常霍爾效應效應（陳氏數為1到5）。
得益于研究證明了量子異�；魻栃�，在電流沿著材料邊緣流動時電流不會在更大范圍內失去能量，新的節(jié)能電子設備才有可能實現(xiàn)。賓夕法尼亞州立大學的研究小組通過實驗實現(xiàn)了多層絕緣體中的量子異常霍爾效應，本質上產生了一條多道高速公路來傳輸電子，這可以提高信息傳輸的速度和效率，而不會損失能量。
論文作者之一、賓夕法尼亞州立大學物理學助理教授張翠祖說：“低能耗是電子設備的關鍵，因此，人們對提高電子流效率的材料進行了大量研究。” “大多數金屬中電子數量的增加會導致一種交通阻塞，因為沿不同方向移動的電子會相互散射并排斥。但是在量子異�；魻栃^緣子中，電子流被限制在邊緣，并且邊緣上的電子只能向邊緣移動。在這個研究中，我們制造了量子異�；魻栃^緣子，可以將其分層放置以在彼此之上創(chuàng)建平行的高速公路，就像將一條道路分成兩車道的高速公路一樣。 ”
量子異�；魻栃^緣子是用一種稱為拓撲絕緣子的材料制成的，該材料是一層薄薄的，厚度只有幾十個原子的薄膜，這些材料已經過磁性，因此只能沿邊緣傳導電流。為了使拓撲絕緣體具有磁性，研究人員通過稱為稀釋磁摻雜的過程將磁性雜質添加到材料中。在這項研究中，研究小組使用了一種稱為分子束外延的技術來制造多層拓撲絕緣體，從而仔細控制發(fā)生磁摻雜的位置。
論文作者之一、賓夕法尼亞州立大學物理學副教授劉朝興說：“ 量子異�；魻栃^緣子特別令人感興趣，因為它們在理論上沒有能量耗散，這意味著當電流沿著邊緣流動時，電子不會以熱的形式損失能量。” “這種獨特的性能使量子異�；魻栃^緣子成為用于量子計算機和其他小型，快速電子設備的理想選擇。”
在先前的研究中，僅在陳氏數為1的材料中通過實驗實現(xiàn)了量子異常霍爾效應，該材料基本上具有一條電子的兩道高速公路。在這項研究中，研究人員堆疊了磁性和非磁性拓撲絕緣體的交替層，并能夠實現(xiàn)陳氏數高達5的量子異常霍爾效應狀態(tài)，本質上在材料的每一側構造了5條平行的電子高速公路，總共10條電子車道。
劉教授說：“我們確實在量子異�；魻栃^緣子和金屬電極之間的連接點處散發(fā)了一些電流，這些電流以熱的形式發(fā)生。” “您可以將其想象為繁忙的高速公路的上下坡道，在此處狹窄的合并車道進入本地交通會使您減速。通過建立更多平行的高速公路，更多的合并車道可以將高速公路連接到本地交通，從而使總體整個交通系統(tǒng)的速度可以大大提高。”
研究人員發(fā)現(xiàn)，通過增加量子異�；魻栃^緣體層的厚度或控制量子異�；魻栃獙又械拇判該诫s濃度，他們可以調整樣品的陳氏數。張教授說：“換句話說，我們可以使用外部旋鈕改變高速公路的車道數量。” “即使在高陳氏數的情況下，量子異常霍爾效應絕緣子沿邊緣通道也沒有損耗。這為利用這種無損耗邊緣電流的器件提供了概念驗證。”
在這項研究中，研究人員精心制作了具有不同陳氏數的單獨量子異常霍爾效應絕緣子。將來，他們希望開發(fā)一種技術來調整已經制造的樣本的陳氏數，以“實時”控制信息高速公路中的電子流量。
