以拓扑绝缘体为代表的拓扑量子材料是近年来凝聚态物理的重要研究领域。由于非平庸的拓扑能带结构，拓扑绝缘体与真空的边界上会出现无能隙的金属性拓扑表面态。在二维非磁性拓扑绝缘体中，由于时间反演对称性的保护，这种拓扑表面态由一对自旋相反、运动方向相反的一维螺旋式边缘态 (helical edge state) 构成。在磁性拓扑绝缘体中，由于时间反演对称性的破缺，两支对流的边缘态中只会保留一支手性的边缘态(chiral edge state)，从而产生量子反常霍尔效应态，也叫做陈绝缘体态。此前关于陈绝缘体的实验研究主要关注低磁场下的量子化行为，而陈绝缘体在强磁场下的演化规律还是一个未知的领域。

最近，清华大学低维量子物理国家重点实验室的王亚愚、张金松实验组和华中科技大学脉冲强磁场中心合作，发展了脉冲强磁场下微纳器件的输运测量技术，在本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄中发现了陈绝缘体在高达61特斯拉的超强磁场下存在一个以零级霍尔平台和螺旋式边缘态输运为典型特征的新拓扑物态。

在过去两年里，本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄在凝聚态物理领域引起了广泛关注。该研究团队与清华大学机械工程系吴扬研究组合作，在机械解理的MnBi₂Te₄单晶薄层中实现了陈绝缘体和轴子绝缘体两种拓扑量子态(Nature Materials 19, 522 (2020))。他们的研究发现，当MnBi₂Te₄的费米能被栅极电压(V_g)调到带隙中间区域时，样品在外磁场的诱导下进入铁磁陈绝缘体态，在输运上表现为纵向电阻几乎消失，霍尔电阻达到负一倍量子电阻(-h/e²)，如图1a上方黑色虚线所示。令人意外的是，在强磁场区间霍尔电阻被压制到一个非常宽的零级平台上，同时原已消失的纵向电阻开始出现，在半整数量子电阻(0.5 h/e²)的位置左右形成平台(图1a下方黑色虚线所示)，随后迅速上升。随着费米能被V_g调向价带，零级平台展示出了强大的稳定性，在某些V_g下零级平台的宽度可以达到50特斯拉(如图1b上方数据所示)。随着费米能被调到价带和导带更深的位置，如图1c和1d所示，MnBi₂Te₄在强磁场下展现出由于朗道能级造成的整数量子霍尔效应。然而与传统的量子霍尔效应不同，无论费米能位于导带、价带还是能隙中，霍尔电阻在强磁场下都会趋向于零级平台。

图1：7层MnBi₂Te₄样品中陈绝缘体随着栅极电压V_g和磁场μ₀H的演化。a，费米能位于带隙中间附近。b，费米能位于价带顶端。c-d，费米能位于价带和导带深处。上方数据表示霍尔电阻R_yx，下方数据表示纵向电阻R_xx。

通过与物理系徐勇研究组开展理论合作，该团队提出了强磁场中朗道能级和塞曼效应(Zeeman effect)诱导的能带反转协同作用的图像来解释实验数据。能带理论计算表明，MnBi₂Te₄在铁磁陈绝缘体态的能带由一对拓扑平庸 (蓝色)和一对拓扑非平庸的(红色)能带构成，这两者分别贡献了陈数0和-1(图2a)。随着磁场的增加，导带和价带中电子的轨道运动形成朗道能级，因此当费米能位于价带顶附近时，原本陈数为-1的红色能带和陈数为+1的空穴型朗道能级共同贡献了一个零级平台。另一方面，由于自旋取向不同，更强磁场下的塞曼效应使得原本拓扑平庸的能带发生反转，同时原本价带中贡献+1的朗道能级转移到导带，因此当费米能位于带隙中时(黑色虚线)，两套陈数相反的拓扑能带贡献了零级平台。为了验证陈数符号相反的螺旋式边缘态的存在，该团队研究了不同器件构型下的边缘态输运(图2b)，并测量到只有螺旋式边缘态才能贡献的量子化非定域电阻。

图2： MnBi₂Te₄能带结构在磁场下的演化以及非定域测量中螺旋式边缘态的迹象。a，考虑塞曼效应和朗道能级的能带结构演化以及边缘态形成原理的示意图。b，不同构型下两端电阻、三端电阻以及非定域电阻随磁场的变化。

该项工作首次发现陈绝缘体在强磁场作用下演化到一个具有螺旋式边缘态的新拓扑量子态，对于研究磁有序与拓扑的相互作用，以及在极端条件下创造新奇拓扑量子物态具有重要价值。该项成果以“Magnetic-field-induced robust zero Hall plateau state in MnBi₂Te₄ Chern insulator”为题发表在7月30日的Nature Communications上。清华大学物理系和北京量子信息科学研究院的刘畅博士、未来芯片技术高精尖创新中心的王永超和武汉脉冲强磁场中心的杨明博士为文章的共同第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京量子信息科学研究院以及北京未来芯片技术高精尖创新中心的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25002-x