宾夕法尼亚州立大学Cui-Zu Chang课题组--量子反常霍尔绝缘子中陈氏数的调节

量子反常霍尔(QAH)态是一种二维拓扑绝缘态，在零磁场下它具有量子化的霍尔电阻h/(Ce2)和接近零的纵向电阻（其中h为普朗克常数，e为元电荷，C为陈数）。在磁性拓扑绝缘体和魔转角石墨烯体系中已经实现了量子反常霍尔态。然而，到目前为止，零磁场下仅实现了C=1的量子反常霍尔态。在这里，我们利用分子束外延方法制备了交替排列的磁性和非掺杂拓扑绝缘体的层状结构，并实现了具有可调节陈数（最高C=5）的量子反常霍尔态。这些量子反常霍尔绝缘体的陈数由体系中未掺杂拓扑绝缘体的层数决定。此外，我们证明了体系中的陈数可以通过改变磁性拓扑绝缘体层中的磁掺杂浓度或磁性拓扑绝缘体的厚度来调节。我们建立了一套理论模型来解释我们的实验结果，并建立了具有可调节陈数的量子反常霍尔绝缘体的相图。这种绝缘体的实现促进了无耗散手征边缘电流在电子器件中的应用，为多通道量子计算和高容量手征电路互连的发展提供了思路。

Fig. 1 无磁拓扑绝缘子多层结构中的高C QAH效应。

Fig. 2 无磁拓扑绝缘子多层结构中高C QAH效应的观察

Fig. 3 无磁拓扑绝缘体多层结构中高C QAH态的证明。

Fig. 4 QAH绝缘子中的可调陈数。

相关研究成果于2020年由宾夕法尼亚州立大学Cui-Zu Chang课题组，发表在Nature(https://www.nature.com/articles/s41586-020-3020-3)上。原文：Tuning the Chern number in quantum anomalous Hall insulators。