近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）低维量子材料团队与加州大学洛杉矶分校电子工程系、中国科学技术大学物理系、福州大学物理系合作，通过分子束外延生长制备了量子反常霍尔绝缘体多层膜，实现了陈数可变的量子反常霍尔效应。2024年5月6日，相关成果以“Tuning the number of chiral edge channels in a fixed quantum anomalous Hall system”为题发表在《Physical Review B》（Letter）上。

量子反常霍尔绝缘体的边缘存在着无耗散传播的手性边缘态，其奇特的量子拓扑特性可应用于拓扑量子计算和低能耗电子学器件中。量子反常霍尔绝缘体的陈数代表其手性边缘态的数目，在高陈数量子反常霍尔绝缘体中，可以存在多个手性边缘态。虽然不同陈数的量子反常霍尔效应已经在不同的量子反常霍尔多层膜中实现，但在同一个样品中，其陈数，也即手性边缘态的数目，是一个固定的值。要改变陈数，需要改变样品的结构和组分，这极大限制了高陈数量子反常霍尔绝缘体在电子学器件中的应用。

图1.不同陈数的量子反常霍尔绝缘体。(a)-(d). 由Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃和(Bi,Sb)₂Te₃构成的三层膜结构，陈数为±1。(e)-(f). 由Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃、(Bi,Sb)₂Te₃和V掺杂(Bi,Sb)₂Te₃构成的三层膜结构，陈数为0，±1。(i)-(l). 由Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃、(Bi,Sb)₂Te₃和V掺杂(Bi,Sb)₂Te₃构成的五层膜结构，陈数为0，±1，±2。

 研究人员通过分子束外延生长制备了由磁性拓扑绝缘体和拓扑绝缘体构成的多层膜结构，在五层膜结构中，通过改变磁性层的磁结构，在同一样品中实现了不同陈数的量子反常霍尔绝缘体态。进一步的，通过理论计算揭示多层膜结构中每一层对陈数的贡献，阐释了陈数的可调节性，并展示了量子反常霍尔多层膜的相图。该研究表明了量子反常霍尔绝缘体手性边缘态的新可调自由度，为高陈数量子反常霍尔绝缘体的电子学器件应用提供基础。

该论文第一作者为量子院邓鹏副研究员和福州大学韩玉磊副教授，通讯作者为邓鹏、中国科学技术大学乔振华教授和加州大学洛杉矶分校Kang L. Wang教授。其它合作者还包括量子院张树康助理研究员等。该工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.L201402