量子异常霍尔绝缘体中的劳克林电荷泵送

用于实验的甜甜圈状结构，用于证明劳克林电荷泵送在无边缘设备中的装置。图片来源：RIKEN 新兴物质科学中心
RIKEN物理学家首次在具有圆盘状几何形状的器件中创造了一种奇异的量子态，这表明边缘不是必需的。该演示为实现其他新颖的电子行为开辟了道路。他们的研究结果发表在Nature Physics上。
物理学早已从物质的三种经典状态：固体、液体和气体。对晶体中量子效应的更好理论理解以及探测和测量它们的先进实验工具的开发揭示了物质的一大堆奇异状态。
一个突出的例子是拓扑绝缘体：一种结晶固体，其表面表现出与材料其余部分截然不同的特性。最着名的表现是拓扑绝缘体在其表面导电，但在其内部绝缘。
另一种表现形式是所谓的量子异常霍尔效应。
一个多世纪以来，传统的霍尔效应是当流过导体的电流被与电流成直角的磁场从直线偏转时产生的。这种偏转在导体上产生电压（以及相应的电阻）。
在某些磁性材料中，即使不施加磁场也会出现这种现象，这称为异常霍尔效应。
“拓扑绝缘体中的异常霍尔电阻会变得非常大，”RIKEN新兴物质科学中心的Minoru Kawamura解释说。“在低温下，异常霍尔电阻增加并达到基本值，而沿电流方向的电阻变为零。”这就是量子异常霍尔效应，大约十年前在实验室中首次观察到。
现在，Kawamura和他的同事们已经证明了一种称为劳克林电荷泵送的效应，这种效应在量子异常霍尔绝缘体中。
该团队制造了一个由不同磁性拓扑绝缘体层组成的甜甜圈形圆盘。然后，他们测量了通过设备的电流如何响应甜甜圈内外曲线上金属电极产生的交变磁场。
研究人员观察到，这个场导致电荷在圆柱体的末端积聚。这是劳克林电荷泵。
以前量子异常霍尔绝缘体的演示使用矩形器件，其中包括连接电极的边缘。人们认为这些边缘中的电子态对于支持量子异常霍尔绝缘体至关重要。
但该团队的发现推翻了这一假设。“我们在量子异常霍尔绝缘体中演示劳克林电荷泵浦使用圆盘形器件，没有连接两个电极的边缘通道，”Kawamura说。“我们的结果提出了在量子异常霍尔材料中实现其他令人兴奋的电子现象的可能性。
更多信息：Minoru Kawamura 等人，量子异常霍尔绝缘体中的劳克林电荷泵送，自然物理学 （2023）。DOI： 10.1038/s41567-022-01888-2