南京大学，重磅Nature Materials！

研究背景

随着对量子材料的深入研究，科学家们逐渐意识到其中的对称性破缺可以引发各种各样的传输现象，特别是非互易电荷传输。在这一领域，拓扑绝缘体这类特殊的量子材料引起了广泛关注。拓扑绝缘体具有表面态，其中的量子霍尔态在外加磁场下表现出特殊的电子传输行为。这些现象的研究不仅有助于深入理解拓扑材料本身的性质，还为未来电子器件的发展提供了新的思路。

在研究中，一个重要的概念是非互易性。在量子材料中，非互易电荷传输表现为电阻随电流方向变化的现象，这在电子器件中的电流整流中具有重要意义。然而，目前对非互易传输的理解还存在一些问题。尤其是在拓扑绝缘体这样的材料中，虽然已经观测到了一些非互易传输现象，但其机制和效应的深入研究仍然是一个挑战。

成果简介

为了解决这些问题，南京大学固体微结构国家实验室Shuai Zhang教授、宋凤麒教授课题组、南京大学电子科学与工程学院王学锋教授团队联合研究了内禀拓扑绝缘体材料，如Sn-Bi_1.1Sb_0.9Te₂S（Sn-BSTS），并通过实验和理论模拟探索其中量子霍尔态介导的非互易传输现象。他们的研究旨在揭示这些材料中非互易传输的特性和机制，以及如何利用这些特性来设计新型电子器件。以上成果在Nature Materials上发题为“Observation of giant non-reciprocal charge transport from quantum Hall states in a topological insulator”的最新文章。通过实验观测和理论计算，研究人员发现了Sn-BSTS器件中非常巨大的非互易系数，并揭示了其背后的物理机制。他们的工作不仅加深了作者对量子材料中非互易传输的理解，还为利用这些传输特性开发新型电子器件提供了重要线索。

图文导读

为了探索和量化非磁性内禀拓扑绝缘体Sn-Bi1.1Sb0.9Te2S（简称Sn-BSTS）中由量子霍尔（QH）态介导的非互易电荷传输现象，研究者进行了一系列详细的实验和理论分析。在图1中，研究者详细展示了Sn-BSTS器件的制备和基本结构。图1a为器件的三维示意图，图中清晰地标出了拓扑绝缘体材料、电极配置及其连接方式。图1b则是通过扫描电子显微镜（SEM）获得的器件微观图像，显示了优良的材料质量和精确的微纳加工技术。通过这些图像，读者可以直观地理解实验设备的物理结构和电学连接。

图1. Sn-BSTS器件中QH介导的非互惠电荷传输。

图2主要报道了Sn-BSTS器件在不同条件下的电学特性。图2a中展示了器件在室温和低温条件下的电阻随磁场变化的行为，揭示了典型的量子霍尔效应的特征，如量子化的平台和霍尔电阻的突变。图2b则给出了在特定磁场强度下，电阻随栅压的变化，可以看出随着栅压的增加，系统逐渐从绝缘态过渡到金属态，再过渡回绝缘态，这与顶部和底部表面态的填充有关。

图2. Sn-BSTS器件中栅依赖的非互惠电荷传输。

图3专注于非互易电荷传输现象。图3a和3b分别展示了在不同栅压下，器件的非互易电阻随磁场方向改变的响应。具体来说，图3a显示在正向磁场下，非互易电阻呈现出明显的峰值，而在磁场反向时，这些峰值消失，表明非互易行为与磁场方向密切相关。图3b中的数据更进一步地证明了这种非互易行为可以通过改变栅压来调控，实现不同程度的非互易传输特性。

图3. Sn-BSTS器件中磁场依赖的非互惠电阻。

在图4中，研究者提供了非互易传输现象的理论模拟结果。图4a和4b展示了基于简化模型的计算结果，其中考虑了QH边缘态和狄拉克表面态之间的不对称散射过程。通过这些模拟，研究者不仅解释了实验观察到的非互易行为，还预测了在特定条件下非互易传输的最大化。

图4. Sn-BSTS器件中的温度依赖非互惠电荷传输。

最后，在图5中，研究者探讨了非互易传输对未来电子器件的潜在应用。图5a展示了一个可能的器件应用示例，即非互易电子开关，该开关在不同的电流方向下表现出不同的导电状态。图5b则是对非互易传输特性进行的长期稳定性测试，验证了这种现象在实际应用中的可靠性和稳定性。

图5: 非互惠电阻的起源。

结论与展望

本研究揭示了拓扑绝缘体中量子霍尔态的非互易传输机制，并展示了其巨大的潜在应用价值。首先，作者发现了量子霍尔态介导的非互易传输效应，其非互易电阻系数远大于以往研究中的数值，这为设计更高性能的电子器件提供了新的思路。

其次，作者的研究深化了对非互易传输的理解，特别是在量子霍尔态和表面态相互作用下的情况。通过揭示不对称散射导致的非互易传输机制，作者为探索和利用拓扑绝缘体中的新型电子态提供了重要线索。此外，作者的工作还为进一步研究量子霍尔效应在部分填充情况下的新现象提供了动力学，这有助于深入理解量子材料的性质和行为。

文献信息

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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