L'effet Hall quantique (QHE) est l'une des découvertes les plus importantes des sciences physiques. En raison des états de bord sans dissipation unidimensionnels (1-D), Le QHE présente des propriétés de transport exotiques avec une résistance Hall quantifiée de h/νe2 et une résistance longitudinale nulle. Ici, h est la constante de Planck, ν est le facteur de remplissage de Landau et e est la charge électronique. QHE provient généralement de la formation d'un écart énergétique remarquable et de la rupture de la symétrie d'inversion du temps, qui nécessite des matériaux à haute mobilité, champ magnétique élevé et température ultra-basse. Ces conditions rigoureuses limitent considérablement l'exploration en profondeur et les applications étendues de QHE. En 1988, Haldane a théoriquement proposé que QHE puisse être réalisé sans appliquer de champ magnétique externe, c'est-à-dire l'état de l'isolant de Chern ou l'effet Hall anormal quantique (QAHE).

En 2013, QAHE avec le nombre de Chern C=1 a été observé expérimentalement dans des couches minces de chrome dopé (Bi, Sb) 2 Te 3 à la température jusqu'à 30 mK. Après, Haldane a reçu le prix Nobel de physique 2016 pour ses premiers travaux théoriques sur les phases topologiques de la matière, y compris la prédiction de QAHE. Les états de bord sans dissipation 1D des isolateurs de Chern offrent une solution possible à l'échauffement inévitable dans les circuits intégrés. En général, un seul état de bord sans dissipation 1D peut être réalisé à des températures ultra basses dans des isolants topologiques dopés magnétiquement, ce qui est loin des exigences de l'application. Par conséquent, la réalisation de plusieurs états de bord sans dissipation et l'augmentation de la température de fonctionnement des états de l'isolant Chern ne sont pas seulement les sujets de recherche les plus importants en sciences physiques, mais aussi censé favoriser le développement de l'électronique basse consommation et des circuits intégrés.

Récemment, une collaboration de recherche dirigée par le professeur Wang Jian à l'Université de Pékin, Le professeur Xu Yong et le professeur Wu Yang de l'Université Tsinghua ont découvert des états isolants de Chern à nombre de Chern élevé et à haute température dans le MnBi 2 Te 4 dispositifs, représentant une grande percée dans les isolants de Chern et les états quantiques topologiques.

MnBi 2 Te 4 est un matériau topologique magnétique en couches. Comme le montre la figure 1a, monocouche MnBi 2 Te 4 comprend sept couches atomiques, former une couche septuple (SL) Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te, qui peut être considéré comme intercalant une bicouche Mn-Te au centre d'un Bi 2 Te 3 quintuple couche. MnBi 2 Te 4 présente un ordre ferromagnétique (FM) au sein du SL et un ordre antiferromagnétique (AFM) entre les SL voisins avec un axe facile hors du plan. Les calculs théoriques montrent que divers états topologiques exotiques peuvent être attendus dans MnBi 2 Te 4 , tels que QAHE dans les films SLs impairs, état de l'isolant axionique même dans les films SLs, Isolateur topologique AFM à champ magnétique nul et semi-métal magnétique Weyl sous champ magnétique perpendiculaire en vrac. Les états topologiques exotiques abondants et la structure en couches font du MnBi 2 Te 4 une excellente plate-forme pour l'observation et la modulation des états quantiques topologiques.

Les chercheurs ont fabriqué plusieurs MnBi 2 Te 4 appareils avec différentes épaisseurs. En 9-SL et 10-SL MnBi 2 Te 4 dispositifs, un plateau de résistance de Hall de hauteur h/2e2 accompagné d'une résistance longitudinale presque nulle est observé en appliquant un champ magnétique perpendiculaire de 5 T, qui est caractéristique de l'isolateur de Chern à deux états de bord sans dissipation (C=2) (Fig. 1b). Plus intéressant, l'état de l'isolant C=2 Chern dans 10-SL MnBi 2 Te 4 l'appareil peut supporter au-dessus de 10 K (Figs. 1c, ré). Il s'agit de la première découverte expérimentale de plusieurs états de bord sans dissipation au-dessus de la température de l'hélium liquide.

Les chercheurs ont en outre étudié l'influence de l'épaisseur de MnBi 2 Te 4 appareils sur le numéro Chern. En 7-SL et 8-SL MnBi 2 Te 4 dispositifs, un plateau de résistance de Hall quantifié h/e2 s'accompagnant d'une résistance longitudinale quasi nulle, c'est-à-dire que l'état de l'isolant Chern avec C=1 est observé. Plus important, le plateau de Hall montre une résistance presque quantifiée même à 45 K en 7-SL MnBi 2 Te 4 (Figs. 2a-c) et au-dessus de 30 K en 8-SL MnBi 2 Te 4 dispositif (Fig. 2d-f), qui sont évidemment supérieures à la température de Néel (environ 22 K) du MnBi 2 Te 4 dispositifs.

Les états d'isolant de Chern à nombre de Chern élevé et à haute température observés nécessitent l'application d'un champ magnétique faible en raison de la nature antiferromagnétique du MnBi 2 Te 4 à champ magnétique nul. Comme le QHE ordinaire peut également donner lieu à un plateau de résistance de Hall quantifié et à une résistance longitudinale nulle, il est nécessaire d'exclure l'influence des niveaux de Landau (LL) induits par le champ magnétique externe sur les résultats. Les chercheurs ont d'abord estimé la mobilité du MnBi 2 Te 4 dispositifs, qui varie de 100 à 300 cm ² V ^-1 s ^-1 . Une telle faible mobilité nécessite un champ magnétique externe supérieur à 30 T pour qu'un QHE avec LL soit observé, qui est beaucoup plus élevé que le champ magnétique de quantification dans notre MnBi 2 Te 4 dispositifs. Les chercheurs ont en outre démontré que le signe du nombre de Chern reste inchangé avec le type de porteur lors de l'application de tensions de grille arrière, excluant sans ambiguïté la possibilité du QHE ordinaire avec les LL.

L'origine des états observés de l'isolant de Chern est révélée par des calculs théoriques. MnBi ferromagnétique 2 Te 4 est prédit être le semi-métal magnétique de Weyl le plus simple, qui ne possède qu'une seule paire de points de Weyl (WP) près du niveau de Fermi. Le confinement quantique conduit à l'état de l'isolant de Chern et au nombre de Chern dépendant de la couche dans le MnBi à quelques couches 2 Te 4 , permettant l'existence de multiples états de bord sans dissipation dans la bande interdite massive, ce qui est cohérent avec les résultats expérimentaux. La découverte de l'état de l'isolant Chern à nombre de Chern élevé fournit également des preuves expérimentales d'une certaine manière pour l'état semi-métal magnétique de Weyl dans MnBi 2 Te 4 .

Les états isolants de Chern à nombre de Chern élevé et à haute température découverts dans les matériaux topologiques magnétiques intrinsèques stimuleront l'exploration de QAHE à température plus élevée et même à température ambiante, et ouvrir la voie à de grandes percées en physique, science des matériaux et technologies de l'information.

L'article intitulé "High-Chern-Number and High-Temperature Quantum Hall Effect without Landau Levels, " a été publié en ligne dans Revue scientifique nationale .