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研究背景

隨著對量子材料的深入研究，科學家們逐漸意識到其中的對稱性破缺可以引發各種各樣的傳輸現象，特別是非互易電荷傳輸。在這一領域，拓撲絕緣體這類特殊的量子材料引起了廣泛關注。拓撲絕緣體具有表面態，其中的量子霍爾態在外加磁場下表現出特殊的電子傳輸行為。這些現象的研究不僅有助于深入理解拓撲材料本身的性質，還為未來電子器件的發展提供了新的思路。

在研究中，一個重要的概念是非互易性。在量子材料中，非互易電荷傳輸表現為電阻隨電流方向變化的現象，這在電子器件中的電流整流中具有重要意義。然而，目前對非互易傳輸的理解還存在一些問題。尤其是在拓撲絕緣體這樣的材料中，雖然已經觀測到了一些非互易傳輸現象，但其機制和效應的深入研究仍然是一個挑戰。

成果簡介

為了解決這些問題，南京大學固體微結構國家實驗室Shuai Zhang教授、宋鳳麒教授課題組、南京大學電子科學與工程學院王學鋒教授團隊聯合研究了內稟拓撲絕緣體材料，如Sn-Bi_1.1Sb_0.9Te₂S（Sn-BSTS），并通過實驗和理論模擬探索其中量子霍爾態介導的非互易傳輸現象。他們的研究旨在揭示這些材料中非互易傳輸的特性和機制，以及如何利用這些特性來設計新型電子器件。以上成果在Nature Materials上發題為“Observation of giant non-reciprocal charge transport from quantum Hall states in a topological insulator”的最新文章。通過實驗觀測和理論計算，研究人員發現了Sn-BSTS器件中非常巨大的非互易系數，并揭示了其背后的物理機制。他們的工作不僅加深了作者對量子材料中非互易傳輸的理解，還為利用這些傳輸特性開發新型電子器件提供了重要線索。

圖文導讀

為了探索和量化非磁性內稟拓撲絕緣體Sn-Bi1.1Sb0.9Te2S（簡稱Sn-BSTS）中由量子霍爾（QH）態介導的非互易電荷傳輸現象，研究者進行了一系列詳細的實驗和理論分析。在圖1中，研究者詳細展示了Sn-BSTS器件的制備和基本結構。圖1a為器件的三維示意圖，圖中清晰地標出了拓撲絕緣體材料、電極配置及其連接方式。圖1b則是通過掃描電子顯微鏡（SEM）獲得的器件微觀圖像，顯示了優良的材料質量和精確的微納加工技術。通過這些圖像，讀者可以直觀地理解實驗設備的物理結構和電學連接。

圖1. Sn-BSTS器件中QH介導的非互惠電荷傳輸。

圖2主要報道了Sn-BSTS器件在不同條件下的電學特性。圖2a中展示了器件在室溫和低溫條件下的電阻隨磁場變化的行為，揭示了典型的量子霍爾效應的特征，如量子化的平臺和霍爾電阻的突變。圖2b則給出了在特定磁場強度下，電阻隨柵壓的變化，可以看出隨著柵壓的增加，系統逐漸從絕緣態過渡到金屬態，再過渡回絕緣態，這與頂部和底部表面態的填充有關。

圖2. Sn-BSTS器件中柵依賴的非互惠電荷傳輸。

圖3專注于非互易電荷傳輸現象。圖3a和3b分別展示了在不同柵壓下，器件的非互易電阻隨磁場方向改變的響應。具體來說，圖3a顯示在正向磁場下，非互易電阻呈現出明顯的峰值，而在磁場反向時，這些峰值消失，表明非互易行為與磁場方向密切相關。圖3b中的數據更進一步地證明了這種非互易行為可以通過改變柵壓來調控，實現不同程度的非互易傳輸特性。

圖3. Sn-BSTS器件中磁場依賴的非互惠電阻。

在圖4中，研究者提供了非互易傳輸現象的理論模擬結果。圖4a和4b展示了基于簡化模型的計算結果，其中考慮了QH邊緣態和狄拉克表面態之間的不對稱散射過程。通過這些模擬，研究者不僅解釋了實驗觀察到的非互易行為，還預測了在特定條件下非互易傳輸的最大化。

圖4. Sn-BSTS器件中的溫度依賴非互惠電荷傳輸。

最后，在圖5中，研究者探討了非互易傳輸對未來電子器件的潛在應用。圖5a展示了一個可能的器件應用示例，即非互易電子開關，該開關在不同的電流方向下表現出不同的導電狀態。圖5b則是對非互易傳輸特性進行的長期穩定性測試，驗證了這種現象在實際應用中的可靠性和穩定性。

圖5: 非互惠電阻的起源。

結論與展望

本研究揭示了拓撲絕緣體中量子霍爾態的非互易傳輸機制，并展示了其巨大的潛在應用價值。首先，作者發現了量子霍爾態介導的非互易傳輸效應，其非互易電阻系數遠大于以往研究中的數值，這為設計更高性能的電子器件提供了新的思路。

其次，作者的研究深化了對非互易傳輸的理解，特別是在量子霍爾態和表面態相互作用下的情況。通過揭示不對稱散射導致的非互易傳輸機制，作者為探索和利用拓撲絕緣體中的新型電子態提供了重要線索。此外，作者的工作還為進一步研究量子霍爾效應在部分填充情況下的新現象提供了動力學，這有助于深入理解量子材料的性質和行為。

文獻信息

Li, C., Wang, R., Zhang, S. et al. Observation of giant non-reciprocal charge transport from quantum Hall states in a topological insulator. Nat. Mater. (2024).?

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