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教授课题组与南京大学宋教授、费教授等合作，在几纳米厚的磁性拓扑量子器件上划出贯穿器件的“深沟”，发现其中的拓扑手性边缘态电流仍能近乎无能耗地单向传输。相关成果于近日发表。这项研究用“破坏性实验”为理论预言已久的“拓扑保护”提供了直接证据，也为低功耗量子器件研究打开了新的想象空间。
这项研究的主角，是一种叫“陈绝缘体”的体系。王教授介绍，它内部绝缘，边缘却能形成手性电子单向导电的量子通道。而陈绝缘体的边缘态就像是一条规则森严的单行道，手性电子只能顺着一个方向走，不能回头，电流不磕不绊，也就不会发热损耗。凭着这个本事，陈绝缘体被认为是制备低功耗量子器件的热门候选。
一些理论早已预言手性边缘态能够抵抗局部扰动，这种特性被称为‘拓扑保护’。但此前没有进行破坏性的直接实验验证。这项研究，正是补上了这块关键实验拼图。它不是在理想条件下“观察现象”，而是主动制造破坏，检验“拓扑保护”是否真的存在。
此次研究团队的实验设计，用“选材—制冷—开沟—测量”四步来解释。
第一步，选材与减薄。团队挑选择了磁性拓扑材料MnBi₂Te₄，剥离到7.0到8.6纳米厚。这个厚度只有几纳米，相当于几十个原子层，是研究二维拓扑量子输运的理想平台。
第二步，进入陈绝缘体态。团队通过微纳加工制备电极，在零下271.15摄氏度的低温下施加垂直磁场，使器件进入陈绝缘体态：边缘电流近乎无能耗、单向传输的特征由此得到确认。
第三步，人工“挖沟”。接下来，团队把原子力显微镜的针尖当作刻刀，在多个薄层量子器件中人工划出宽10到450纳米、长0.7到11.1微米，深度直接贯穿器件的“深沟”。
第四步，测量验证。面对如此破坏，不同电极连接方式下的测量结果都与理想的手性边缘输运理论吻合。最后发现边缘电流沿着划出的“深沟”边缘绕了过去，这为“拓扑保护”提供了直接实验证据。
当然，实验是在极低温和垂直磁场下完成。零下271.15摄氏度和外加磁场是陈绝缘体态显现的条件。未来若要走向实用器件，如何提高工作温度、降低对外部磁场的依赖，还是挑战。
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