我国科大合肥微标准物质科学国家研讨中心世界量子功用资料规划中心与物理系牛谦教授和乔振华教授团队及合作者在反铁磁体中预言了量子失常霍尔效应，并可经过电场等办法调控体系的陈数。相关研讨成果于3月18日宣布在世界学术期刊《物理谈论快报》。

　　1988年，Haldane提出了量子失常霍尔效应的概念，即不施加外磁场的量子霍尔效应。具有量子失常霍尔效应的体系展示出受拓扑维护的手性边际态，其无耗散特性使其成为构建下一代高性能电子器件的备选体系。十几年来，量子失常霍尔效应在试验方面取得了多项突破性发展。2013年，根据我国科学院物理所方忠院士团队提出的理论计划，清华大学薛其坤院士团队初次在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3中观测到了量子失常霍尔效应。2018年，我国科大陈仙辉院士与复旦大学物理系张远波教授团队在存在净磁矩的5层本征磁性绝缘体MnBi₂Te₄中也观测到了量子失常霍尔效应。

　　在上述各种计划中，铁磁性都是不可或缺的首要的要素。但铁磁体系具有磁偶极场，影响磁畴结构，并且易受热涨落或“杂散场”（stray field）等坏因的搅扰，影响拓扑状况、电输运性质，以及拓扑维护特性。相比之下，反铁磁性资料内部没有净磁性，也没有磁偶极场，对外部磁场改变不灵敏，更为安稳。这种稳健性使它们在新式自旋电子学范畴，尤其是反铁磁自旋电子学中遭到渐渐的变多的重视。此外，反铁磁资料在自然界中存量丰厚，且一般具有更高的奈尔改变温度，有利于完成更高温度的量子失常霍尔效应。

　　图：(a)具有空间-时刻反演联合对称性的本征反铁磁体；(b)磁钉扎后空间-时刻反演联合对称性破缺的反铁磁体；(c)彻底补偿反铁磁体中陈数调控的拓扑相图。

　　但是，反铁磁体中一般会出现空间-时刻反演联合对称性(比方↓↑↓↑构型，箭头表明自旋向上或许向下的取向)，这种对称性制止量子失常霍尔效应的出现。如安在净磁化为零的反铁磁体系中完成量子失常霍尔效应是一个难题。

　　针对这一应战，该研讨团队根据磁性拓扑绝缘体模型核算证明，当偶数层磁性拓扑绝缘体选用损坏空间-时刻反演联合对称性的磁结构时，比方(↓↑↑↓)，布里渊区中贝里曲率的散布将不再处处为零。美妙的是，在MnBi₂Te₄资料的实践参数邻近，体系出现非零的陈数（±1），并具有可调性。经过调控笔直方向的栅极电压或许轨迹在位能，能够接连驱动体系进入不同的拓扑相，陈数能够调为C=1，2，3，以及陈金属相。关于陈金属相，在弱无序的情况下，小的费米口袋也有必定可能会变得局域化，由此发生拓扑非平凡的安德森绝缘体。

　　该研讨团队还选用榜首性原理核算验证了模型的可行性。关于四层磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4，当磁构型为(↓↑↑↓)时，体能隙中存在量子化的失常霍尔电导渠道。此外，当存在外部磁钉扎层时，构型↓↑↑↓的能量低于构型↓↑↓↑。因而，损坏空间-时刻反演联合对称性的磁结构是安稳的，这与团队的模型预期一起。一起，该作业还经过模型研讨了6层反铁磁结构，指出模型研讨的定论能够推行到多层的偶数层反铁磁结构。进一步，经过榜首性原理核算验证了6层和8层MnBi₂Te₄体系中，取得在不同磁构型基层分辩的陈数散布，指出在各种损坏空间-时刻反演联合对称性的磁结构中，只要最外层MnBi₂Te₄的磁化方向共一起体系才干完成量子失常霍尔效应。在较小的压强下，跟着层间相互作用的增强，拓扑非平凡能隙能够超越室温能标。该研讨作业也于近来宣布[Phys. Rev. B 111, 115416 (2025)]。

　　该系列作业取得的拓扑相图和试验完成计划为后续在反铁磁体中拓扑态和电子输运的研讨供给了坚实物理根底。

　　物理系2024届博士毕业生梁纹豪和合肥微标准物质科学国家研讨中心博后李泽宇为本论文的一起榜首作者。该作业得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省的赞助。

　　(微标准物质科学国家研讨中心世界功用资料量子规划中心、物理系、我国科学院强耦合量子资料要点试验室）