来源：知社学术圈
量子霍尔效应在物质科学和精密测量领域都极为重要。要产生量子霍尔效应，需要体系形成显著的能隙和强烈破坏时间反演对称。通常这需要三个不可或缺的前提条件：物质材料极高的迁移率、强外加磁场、极低温。这些苛刻的条件极大地限制了量子霍尔效应的实际应用。
在此背景下，能否在高温弱磁场（甚至无磁场）下实现量子霍尔效应，成为了物理学研究的重大课题。1988年，美国物理学家霍尔丹首次提出了一种无需外磁场的量子霍尔效应（同一物态也被称为陈绝缘体态或量子反常霍尔效应）实现方案。在2013年，薛其坤院士领导的研究团队在Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中观测到了陈数为1(C=1)的陈绝缘体态，即量子反常霍尔效应。磁性原子掺杂导致了自发磁化，因此量子反常霍尔效应的实现无需施加外磁场。相较于量子霍尔效应，量子反常霍尔效应同样具有无耗散的导电边界态，且更有利于实现低耗散电子器件。霍尔丹因早期的理论预测等工作，荣获了2016年诺贝尔物理奖。 但是，前期的量子反常霍尔效应方案只能提供单个无耗散的导电边界态，且需要极低温的工作环境。因此，如何实现更多的无耗散导电边界态，如何提高量子反常霍尔效应的工作温度，不仅是物质科学领域最为重要的研究方向之一，也有望推动无耗散或低耗散电子器件与集成电路的发展。 最近，北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授、清华大学物理系徐勇副教授、清华大学机械学院吴扬副研究员等组成的合作团队在磁性拓扑材料的量子霍尔效应研究上取得了重要突破，在锰铋碲(MnBi2Te4)中发现了非朗道能级引起的高陈数和高温量子霍尔效应。该工作在线发表于《国家科学评论》(National Science Review) ，北京大学王健教授与清华大学徐勇副教授为文章共同通讯作者，北京大学博士生葛军、刘彦昭与清华大学博士生李佳恒、李昊为共同第一作者。
研究团队在磁性拓扑材料MnBi2Te4的少数层电输运器件中，首次发现了具有两个无耗散边界态且工作温度高于10开尔文的陈绝缘体态（高陈数陈绝缘体）。此外，通过降低样品厚度，团队首次在高达45开尔文的温度（超过奈尔温度）下观测到了具有单个无耗散边界态的陈绝缘体态（高温陈绝缘体）。这些发现表明，如果能够选取合适的材料与参数，未来有望实现室温陈绝缘体态或量子反常霍尔效应，在真正意义上构筑无耗散或低耗散的信息高速公路，带来信息科学与技术方面的变革。
文章信息：
High-Chern-Number and High-Temperature Quantum Hall Effect without Landau Levels
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089
来源：zhishexueshuquan 知社学术圈
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