零磁场下磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中手性边缘电流的直接观测与量子反常霍尔态的验证

研究团队通过扫描超导量子干涉仪（sSQUID）显微技术，首次在零磁场条件下直接观测到奇数层MnBi2Te4的手性边缘电流（CES），证实其量子反常霍尔（QAH）绝缘体特性。该研究解决了传统输运测量中霍尔电阻未达量子化值的矛盾，揭示了边缘-体散射共存机制，为拓扑磁性材料中QAH态的识别提供了新范式。

　　

在量子材料研究领域，量子反常霍尔效应（QAH）因其无需外加磁场的量子化输运特性备受关注。然而，长期以来，手性边缘电流（CES）作为QAH的核心特征始终缺乏直接观测证据。更令人困惑的是，理论预测的奇数层范德瓦尔斯反铁磁体MnBi₂Te₄虽被寄予厚望，但其零场下的霍尔电阻始终未能达到精确量子化值（e²/h），这引发了对其拓扑本质的质疑。

为解决这一难题，复旦大学等机构的研究人员创新性地采用扫描超导量子干涉仪（sSQUID）显微技术，对7层MnBi₂Te₄薄片进行电流分布成像。研究发现，当样品被调控至电荷中性点（CNP）时，尽管存在显著的体传导，仍能清晰观测到单向传播的边缘电流。该电流的旋向性随体磁化方向反转而改变，符合QAH态的基本特征。通过改进的Landauer-Büttiker多终端模型，团队首次定量解析了边缘-体散射共存机制，揭示化学势不均匀性导致的磁交换间隙涨落是量子化输运被破坏的关键因素。该成果发表于《Nature Communications》，为拓扑磁性材料的本征特性研究提供了新视角。

关键技术方法包括：1）分子束外延生长高质量MnBi₂Te₄单晶；2）低温（1.7 K）扫描SQUID显微技术实现2 μm空间分辨的磁通成像；3）交直流复合偏置结合锁相检测技术区分手性与非手性电流；4）改进的多终端输运模型定量分析边缘-体散射效应。

主要研究结果

手性边缘电流的锁相检测

通过设计交直流复合偏置方案（

），研究发现：纯交流驱动时，电流在上下边缘"共传播"；而直流偏置超过交流振幅时，电流仅沿单一边缘单向流动（I_AC=μ_ACe/?），这种特征性响应成为识别CES的关键指纹。

磁化依赖的电流旋向性

sSQUID成像显示（

），正磁化时右电极偏置电流沿下边缘顺时针流动，负磁化时则沿上边缘逆时针流动，严格遵循时间反演对称性破缺的拓扑规律。

体-边缘电流的定量分离

通过差分与求和图像分析（

），测得CNP处70%电流由边缘态承载，30%为体传导电流。后者呈现非均匀空间分布，与Bi-Te p轨道态密度涨落诱导的磁交换间隙△(r)波动直接相关。

输运行为的理论建模

引入虚拟探针的改进Landauer-Büttiker模型（N=12）成功复现实验数据（

），证实当散射事件增加时，体系会从无耗散拓扑输运转变为耗散混合输运。

这项研究不仅首次直接证实了MnBi₂Te₄的QAH本质，更建立了手性边缘电流成像作为拓扑判据的新标准。发现边缘-体散射共存现象为理解量子化输运破坏机制提供了关键线索，对发展更高工作温度的拓扑量子器件具有重要指导意义。研究还启示，通过改善材料均匀性或施加磁场增大交换间隙△，有望实现更完美的量子化输运，为下一代低能耗电子器件开辟了新路径。