近日，南京大学电子学院张荣院士、王学锋教授课题组与物理学院宋凤麒教授课题组等合作，在器件的非互易输运调控方面再获重要进展。他们在本征拓扑绝缘体双栅器件中首次观测到由量子霍尔态调制的巨大非互易电荷输运，并结合理论模型揭示了该效应来源于量子霍尔边缘态和表面态朗道轨道之间的非对称散射。该工作不仅加深了人们对非互易输运和量子霍尔态的物理理解，而且为发展新型低功耗整流器件与拓扑自旋器件奠定了实验基础。相关成果以“Observation of giant non-reciprocal charge transport from quantum Hall statesin a topological insulator”为题，于2024年4月19日在线发表于国际知名期刊《自然·材料》(Nature Materials)。这是该团队继前不久在半导体KTaO3基界面观察到光控巨大非互易电荷输运行为（X. Zhang et al. Nat. Commun.15, 2992 (2024); https://doi.org/10.1038/s41467-024-47231-6）之后在此方向上的又一重要发现。
对称性是凝聚态物理中的一个重要概念，对称性破缺会导致多种奇异输运现象，如非互易电荷输运。非互易输运表现为电流方向依赖的电阻，在直流测量中显示为纵向磁电阻在正向和反向的电流下呈现不一致的特征；而在交流测量中，非互易输运则显示为有限的二阶纵向电阻R2ω，在整流器件应用中至关重要。在过去几年中，科学家们已经陆续在多种反演对称性破缺的量子材料体系中观察到了丰富的非互易输运现象，例如超导二极管效应和非线性霍尔效应。然而，在本征拓扑绝缘体中观测到由量子霍尔态调制的非互易电荷输运却极具挑战。
针对上述挑战，研究团队制备了表面态优化的三维本征拓扑绝缘体Sn-Bi1.1Sb0.9Te2S单晶，并通过电子束光刻技术制备了基于机械剥离纳米片的介观双栅器件。他们通过施加栅电场成功观察到了由量子霍尔边缘态调制的非互易电荷输运行为（图1）。磁输运测量表明：在量子霍尔效应的转变区域内呈现显著的非互易输运，非互易输运系数高达2.26´105A-1，比以往的量子反常霍尔绝缘体的数值高了两个数量级。此外，器件左右两侧的非互易信号符号相反，且随着栅压变化呈现一对峰谷形状。这些奇异现象揭示了拓扑绝缘体中量子霍尔态调制的非互易输运特性。
图1.拓扑绝缘体双栅器件中的量子霍尔效应及其非互易电输运观察。
接着，研究团队通过建立理论模型很好地解释了上述非互易输运现象。他们发现该现象来源于量子霍尔边缘态和朗道轨道之间的非对称散射（图2）。对于单个表面态贡献非互易的情形，理论推导得到在朗道能级被部分填充时，非互易信号正比于朗道能级态密度的一阶导数。其随着费米面的变化出现一对峰谷形状，这是在拓扑绝缘体中由量子霍尔边缘态调制非互易输运现象的重要特征。而对于上下两个表面态同时贡献非互易输运的情形，考虑到电流分流作用，非互易输运信号又会显著降低。这些理论结果与上述实验观察完美吻合。
图2.量子霍尔边缘态调制的非互易输运机制。
南京大学博士生李春风、王锐副教授、张帅副研究员和秦宇远博士为该论文的共同第一作者。李春风同学是王学锋教授联合指导的物理学院的博士生。南京大学张帅副研究员、王学锋教授和宋凤麒教授为论文的共同通讯作者。南京大学张荣院士、王伯根教授、陈伟教授等对该工作提供了大力支持和重要帮助。南京大学为论文唯一完成单位。该项研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助，同时也得到了固体微结构物理国家重点实验室、原子制造研究院、江苏省光电信息功能材料重点实验室、自旋芯片与技术全国重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心等研究平台的支持。