谢心澄等在无序磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的外磁场下量子相变研究方面取得重要进展

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作为一种磁性拓扑绝缘体，锰铋碲晶体（MnBi2Te4）自被发现以来一直备受关注；其量子化现象一般在实验中通过外磁场辅助来观测。一方面，磁场诱导的交换能隙使得量子反常霍尔相更容易被测度，然而另一方面，强磁场也会诱导量子霍尔效应，因此，对于实验观测到的拓扑相是量子霍尔相、量子反常霍尔相或二者的共存相，尚存疑问。通常情况下，实验制备的MnBi2Te4拥有极低的迁移率（74 cm2·V-1·s-1～1500cm2·V-1·s-1），在这类系统中安德森局域化会起到关键作用。
        近日，北京大学物理学院量子材料科学中心谢心澄院士课题组与苏州大学物理科学与技术学院江华教授、陈垂针教授合作，提出了量子霍尔效应和量子反常霍尔效应共存的物理图像（下图）：在无磁场的情况下，安德森无序使得体态电子被局域化，体系表现为陈数C=1的量子反常霍尔态；而在强磁场下，被局域化的体态电子因能够形成朗道能级而形成对应的量子霍尔边缘态，使得量子霍尔边缘态和量子反常霍尔边缘态共存，体系表现为陈数C=2。因此，联合研究团队将实验上观察到的霍尔平台解释为发生了从量子反常霍尔态到量子反常霍尔效应与量子霍尔效应共存态的相变，并预言了更多待实验验证的共存相及其所具有的更高的陈数。

强磁场下无序MnBi2Te4中量子霍尔相和量子反常霍尔相共存的图像（a）、固定费米面的霍尔电阻（b）和相应的相图（c）

        2021年12月3日，相关研究成果以“无序磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中量子霍尔相与反常量子霍尔相的共存”（Coexistence of quantum Hall and quantum anomalous Hall Phases in disordered MnBi2Te4）为题在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）；北京大学物理学院量子材料科学中心2017级博士研究生李海龙和陈垂针为共同第一作者，谢心澄和江华为共同通讯作者。
        上述研究工作得到国家重点研发计划、国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等及中国科学院拓扑量子计算卓越创新中心支持。


       文章来源：北京大学
       谢心澄，男，1959年2月生。1982年中国科技大学近代物理系毕业，同年通过Cuspea选拔考试赴美深造。1988年在美国马里兰大学获博士学位。1988年至1991年在美国华盛顿大学、马里兰大学做博士后。1991年至2004年在美国Oklahoma State University任助教授、副教授、教授。2004年任校董事会讲座教授。2000年受聘为中科院国际量子结构中心成员，2001年获得中科院海外知名学者，2002年获得国家杰出青年基金海外类资助，2005年应聘为中科院物理所首席研究员、凝聚态理论与材料计算研究室主任。2010年任北京大学讲席教授、量子材料科学中心主任，2011年任北京大学物理学院院长。共发表SCI文章120多篇，包括三十余篇PRL文章。现任科技部重大科学研究计划项目（973计划）首席科学家。现主持一项中科院方向性项目，一项基金委重点项目，长期以来得到美国NSF和DOE的连续支持。为美国物理学会会员（APS Fellow）。
        江华，男，1983年6月出生，湖北黄梅人，教授、博士生导师。2005年毕业于南京大学物理学院获学士学位。2010年毕业于中国科学院物理研究所获博士学位。2010-2012年在北京大学量子材料科学中心从事博士后研究工作。2013年1月，加入苏州大学，现任苏州大学物理科学与技术学院教授。 期从事凝聚态材料中拓扑态与低维材料量子输运现象的理论研究。迄今已在物理学重要期刊发表学术论文60余篇，包括Phys. Rev. Lett. 9篇，Nature Commun 1篇， Phys. Rev. B 38篇，引用2000余次，多个理论预言被实验证实。2018年获国家自然科学基金优秀青年基金，2016年获江苏省自然科学基金杰出青年基金资助。
        陈垂针，苏州大学特聘教授，博士生导师。2015年于中国科学院物理研究所，获理论物理学博士学位。2015-2018年在香港科技大学物理系从事博士后研究。2019年1月，加入苏州大学物理科学与技术学院。主要从事凝聚态物理中输运理论的研究，在Phys. Rev.系列期刊上发表19篇论文，包括Phys. Rev. Lett.5篇,引用500余次。