实验揭示陈绝缘体拓扑手性边缘态的“不死之身”

原子力显微镜微纳加工与手性边缘态拓扑保护的概念示意图 

拓扑材料和器件因其拓扑保护的表面态和边缘态，已成为凝聚态物理领域的重要前沿。其中，陈绝缘体因其手性边缘态具有无耗散、单向传输等重要特性，有望构筑低功耗的电子器件和拓扑量子器件。然而，在实际应用中，一个关键问题是：基于手性边缘态的拓扑功能器件在制备和使用过程中经历剧烈的几何破坏和物理损伤后，能否依然保持低功耗的量子输运特征？对这一问题的实验验证，不仅有助于深入理解拓扑保护的物理本质，更直接关系到拓扑电子态未来能否真正应用于复杂的实用化器件电路结构中。 

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心、固态量子器件北京市重点实验室王健教授课题组与南京大学宋凤麒教授、费付聪教授等合作，在这一问题上取得重要进展。研究团队利用基于原子力显微镜的微纳加工技术，在本征磁性拓扑材料MnBi₂Te₄薄层器件上进行划缝切割，人工引入深可见底、宽度为10到450纳米、长度为0.7到11.1微米的物理损伤，并开展了系统的电输运测量。实验表明，即使器件的几何结构受到严重破坏，其仍能保持良好的手性边缘态量子化输运特征。这一发现为相关拓扑量子器件抵抗外部损伤的拓扑鲁棒性提供了直接的实验证据。

首先，研究团队利用机械剥离和微纳加工技术，制备了厚度为7.0到8.6纳米的薄层MnBi₂Te₄器件，并对其开展了低温磁输运测量。外加垂直磁场可使薄层MnBi₂Te₄器件进入铁磁陈绝缘体态。在2 K的工作温度下，7.0纳米厚器件的霍尔电阻呈现出值为0.996 h/e²的量子化平台，同时纵向电阻趋近于零，表明器件处于陈数C = 1的陈绝缘体态。为进一步确认手性边缘态的低功耗量子输运特征，团队开展了二端法和三端法电阻测量：二端法电阻接近量子电阻h/e²，证明器件中实现了近乎无耗散的边缘态输运；三端法电阻在负磁场下接近零，而在正磁场下则接近量子电阻h/e²，反映出边缘态的手性单向传输特性。这些结果共同确认了MnBi₂Te₄器件中的陈绝缘体态及其手性边缘输运特性（图1）。

图1 未划缝MnBi₂Te₄器件中的陈绝缘体态及手性边缘态的量子输运

 为了直接检验手性边缘态在几何破坏和物理损伤下的鲁棒性，研究团队进一步利用原子力显微镜针尖，在一薄层器件中加工出两条人工划缝，显著改变了器件原有的边界形貌。原子力显微镜和扫描电子显微镜表征确认，划缝贯穿了MnBi₂Te₄薄片，划缝内部没有材料残留，为验证手性边缘输运对结构缺陷和破坏的免疫能力构筑了理想的实验平台。 

在引入划缝后，MnBi₂Te₄器件在2 K和垂直磁场下，仍表现出约0.99 h/e²的量子化霍尔电阻平台和趋近于零的纵向电阻，表明陈绝缘体态并未因局部形貌的物理破坏而消失。进一步的二端和三端法测量表明，其量子化输运及手性特征并未受到划缝的影响（图2）。

图2 人工划缝存在时MnBi₂Te₄器件中的量子化输运与手性特征 

为了获得更直接的对比，研究团队还测量了同一个器件在划缝前后的二端法电阻。对比发现，器件划缝后，依然保持着近乎完美的量子化电阻平台（图3）。此外，研究团队在多个划缝器件中开展了不同电极配置下的局域和非局域电输运测量，结果均与理想手性边缘输运的Landauer-Büttiker理论预期高度一致。这些相互印证的实验结果，系统验证了手性边缘态在剧烈几何破坏和物理损伤下的鲁棒性。

图3 同一MnBi₂Te₄器件划缝前后的二端法电阻对比

       该工作为陈绝缘体中手性边缘态的拓扑保护特性提供了直接实验证据。团队研究证实，手性边缘态在面对人工划缝等极端几何破坏和物理损伤时，依然保持无耗散输运，说明这类拓扑态能够适应拓扑量子器件的几何加工和结构改变，为构建和使用拓扑保护的低功耗量子器件奠定了实验基础。同时，基于原子力显微镜的微纳加工技术，也为未来拓扑量子器件的几何结构设计提供了有效的原位操作手段。 

该工作以“Demonstration of robust chiral edge transport in field-induced Chern insulator MnBi₂Te₄ devices with engineered geometric defects”为题，于2026年10月5日发表于学术期刊《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett. 137, 156601 (2026)]。北京大学博士后汪品源、特聘副研究员葛军与上海科技大学助理研究员骆佳伟为共同第一作者，王健和葛军为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金及教育部基础学科和交叉学科突破计划等项目的支持。

阅读原文：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/tv3l-85d1