康乃爾大學的研究人員利用磁成像技術首次直接觀察到電子如何在一種特殊類型的絕緣體中流動，並由此發現傳輸電流是通過材料內部流動的，而不是像科學家們長期假設的那樣在邊緣流動。

這項發現揭示了量子反常霍爾絕緣體中的電子動力學，並有助於解決長達數十年的關於電流如何在更一般的量子霍爾絕緣體中流動的爭論。這些見解將為下一代量子設備拓撲材料的開發提供參考。

研究小組的論文最近發表在《自然-材料》（Nature Materials）雜誌上。論文的第一作者是馬特-弗格森（Matt Ferguson），22 年博士，目前是德國馬克斯-普朗克固體化學物理研究所的博士後研究員。

量子霍爾效應

該計畫由文理學院物理學助理教授、論文的資深作者Katja Nowack 領導，起源於所謂的量子霍爾效應。量子霍爾效應於1980 年首次被發現，當磁場作用於特定材料時，會引發一種不尋常的現象： 大塊樣品的內部變成絕緣體，而電流沿著外緣單向移動。電阻被量子化或限制為基本通用常數所定義的值，並下降為零。

2013 年首次發現的量子反常霍爾絕緣體透過使用磁化的材料實現了相同的效果。量子化仍然發生，縱向電阻消失，電子沿著邊緣加速而不耗散能量，有點像超導體。

破除流行觀念

“電流沿著邊緣流動的圖像可以很好地解釋量子化是如何產生的。但事實證明，這並不是唯一能解釋量子化的圖景，」諾瓦克說。”自從拓樸絕緣體在本世紀初蔚為壯觀地崛起以來，這種邊緣圖景就一直佔據著主導地位。局部電壓和局部電流的複雜性在很大程度上被遺忘了。實際上，這些情況可能比邊緣圖景所顯示的要複雜得多”。

目前已知只有少數材料是量子反常霍爾絕緣體。在他們的新工作中，諾瓦克研究小組重點研究了鉻摻雜的碲鉍銻–十年前首次觀測到量子反常霍爾效應的也是這種化合物。

該樣本由賓州州立大學物理學教授尼廷-薩馬爾特領導的合作者培育而成。為了掃描這種材料，諾瓦克和弗格森使用了他們實驗室的超導量子乾涉裝置（SQUID），這是一種極其靈敏的磁場感測器，可以在低溫下工作，探測到令人生畏的微小磁場。SQUID 能有效地對電流流（產生磁場的原因）進行成像，然後將這些影像組合起來，重建電流密度。

諾瓦克說：”我們研究的電流非常非常小，因此測量難度很大。我們需要在低於一開爾文的溫度下對樣品進行良好的量化。我很自豪我們做到了這一點。”

發現與未來影響

當研究人員注意到電子在材料的主體中流動，而不是在邊界邊緣流動時，他們開始翻閱先前的研究結論。他們發現，在1980年量子霍爾效應首次發現後的幾年裡，關於電子流發生的位置有許多爭論，而大多數年輕的材料科學家都不知道這種爭論。

“我希望從事拓撲材料研究的新一代注意到這項工作，並重新展開辯論。很明顯，我們甚至不了解拓撲材料中發生的一些非常基本的方面，」她說。”如果我們不了解電流是如何流動的，那麼我們對這些材料究竟了解多少呢？

回答這些問題可能也與製造更複雜的設備有關，例如將超導體與量子反常霍爾絕緣體耦合以產生更奇特物質狀態的混合技術。

「我很想知道我們觀察到的現像是否適用於不同的材料系統。也許在某些材料中，電流的流動方式會有所不同，」諾瓦克說。”對我來說，這凸顯了拓樸材料的魅力–它們在電學測量中的行為是由非常普遍的原理決定的，與微觀細節無關。然而，了解微觀尺度上發生了什麼至關重要，這對我們的基本理解和應用都是如此。這種一般原理與細微差別的相互作用，使得拓撲材料的研究如此迷人和引人入勝”。