观测到量子化输运是众多拓扑量子物态调控的基础，同时也是实现无耗散拓扑输运的关键。MnBi₂Te₄作为实验上发现的首个同时具有二维特性、本征磁性和拓扑能带结构的量子材料，近年来在二维材料和拓扑物态领域引起广泛关注。尽管2020年人们已经在5层和6层MnBi₂Te₄样品中实现了量子反常霍尔效应和轴子绝缘体态，然而实验上制备量子化器件的成功率一直较低，特别是微纳加工如何影响拓扑输运一直未被明确。许多研究组在零场下甚至观测到和理论预期不一致反常奇偶层厚振荡现象。因此，明确影响量子化的关键因素，发展稳定制备量子化器件的方法，并在此基础上开展物态调控，就成为当前实验领域最紧迫的目标之一。

近期，中国人民大学物理学系、量子态构筑与测控教育部重点实验室刘畅副教授联合人大-清华-北大-复旦-南科大等九个团队，利用光学-输运-磁光-成像等多种实验手段，研究了超过200块微纳器件的量子物性，首次揭示微纳加工会对MnBi₂Te₄的有效层厚产生显著影响。这一重要发现指出了二维材料领域中广泛采用的通过光学对比度确定层厚的方法存在的不足，解决了长期以来MnBi₂Te₄领域实验观测到的反常奇偶层振荡的争议。相关研究成果以“Fabrication-induced even-odd discrepancy of magnetotransport in few-layer MnBi₂Te₄”为题发表在2024年4月22日Nature Communications上。

当二维材料被解理到少层极限时，样品与衬底之间的光学对比度和物理层厚之间存在一一对应关系[如图a所示]。因此，在二维材料领域，人们广泛采用通过光学对比度的方法确定样品的物理层厚，这一方法不仅可以在惰性气体保护的手套箱中实现快速层厚测量，同时还能有效避免样品因暴露空气而产生的质量下降问题。然而，对于MnBi₂Te₄器件，团队成员发现部分样品解理后的原始光学对比度和经历完微纳加工的光学对比度之间存在显著差异，其对应的有效层厚相差多达到1层。在此基础上，团队成员全面研究了4种不同方法生长的单晶，并对解理出的超过200块器件的光学对比度开展统计研究，首次明确微纳加工的影响主要来自于光刻胶PMMA与器件表面的接触[如图b和c所示]，并且发现不同器件对光刻胶的敏感程度依赖于单晶的生长方法。磁光科尔效应、声子振动谱和扫描超导量子干涉仪对磁性和声子频率的测量，进一步证明了这种有效层厚下降来自电子结构而非物理层厚，揭示了其背后的物理机制来自拓扑表面态在微加工过程中的下沉[如图d和e所示]。这一发现不仅解释了当前实验中看到的与理论不一致的反常奇偶振荡行为[如图f和g所示]，还首次明确了微纳加工过程中影响拓扑器件输运行为的关键因素。

图：微纳加工过程对光学对比度和输运行为的影响。a,机械剥离后四个代表性样品在接触PMMA前后的光学照片。b,对223块MnBi₂Te₄样品接触PMMA前后的光学对比度O_c的总结，不同颜色表示来自不同晶体的数据。c,四种不同方法生长的晶体中获得的样品O_c变化分布，在对PMMA最敏感的晶体中，微加工可能引起相当于1层的对比度变化。d-e,厚度为7层的MnBi₂Te₄在接触PMMA前后表面电子结构变化示意图。f-g,不同层厚MnBi₂Te₄样品磁场下的霍尔效应，其中蓝色表示不受PMMA影响的样品，其输运行为与理论预期的奇偶振荡一致，红色表示受PMMA显著影响的样品，其奇数层表现出零级平台，偶数层表现出反常霍尔回滞。

中国人民大学刘畅副教授为文章的通讯作者，该工作的合作者还包括清华大学王亚愚教授、张金松副教授研究组，北京化工大学吴扬教授研究组，北京大学贾爽教授研究组，南方科技大学刘畅副教授研究组，中国人民大学夏天龙教授研究组，复旦大学王熠华教授研究组和清华大学杨鲁懿副教授研究组。已毕业的李耀鑫博士、清华大学物理系研究助理王永超和博士生连梓臣为文章的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发项目、科技创新2030重大项目、基础科学中心项目、新基石项目、低维量子物理国家重点实验室开放课题和中国人民大学科研基金的支持。

刘畅课题组一直致力于用量子输运的实验手段，研究电荷、自旋、轨道和维度等不同自由度相互作用下演生的新物理，并利用多种手段对各种新奇物态开展调控，同时探索各种新材料和新物态在未来无耗散电子输运器件方面的应用。近年来课题组与合作者在本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄以及量子反常霍尔效应相关的拓扑量子物态[Nat. Mater.19, 522 (2020)&Sci. Bull.68, 1252 (2023)]、拓扑量子相变[Phys. Rev. X10, 041063 (2020)]和极端条件量子输运[Nat. Commun.12, 4647 (2021)]等前沿方向取得一系列创新性成果。

文章连接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47779-3#Ack1