軸子絕緣體MnBi2Te4中的無耗散層電子學|NSR

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基於量子力學的基本原理，透過操控電子的內部自由度來調控載流子的輸執行為，人們已能夠設計和製備出具有特殊功能的電子器件。這些量子電子器件在資訊儲存、處理和傳輸等方面超越了傳統半導體器件的效能，具備低能耗和高效率的顯著優勢。目前，自旋電子學和谷電子學是兩種分別透過調控電子的自旋和能谷自由度來構建量子電子器件的方案，在低能耗器件和量子計算等領域展現出巨大的應用潛力。即便如此，自旋電子學和谷電子學仍存在較大的侷限性。在自旋電子學中，透過操控電流來實現自旋極化反轉的Datta-Das自旋場效應電晶體，由於技術限制仍未成功製備；而在谷電子學中，至今仍然沒有高效的手段來實現谷自由度在兩個能谷之間的完全反轉。因此，在自旋和能谷自由度之外尋找電子的新自由度來建立相應的電輸運機制，以及構建更高效能電子器件是學術界廣泛關注的問題。

最近，一項實驗研究報道了本徵反鐵磁軸子絕緣體材料MnBi₂Te₄中透過調控面外電場和磁場實現的層極化的反常霍爾效應【Nature595, 521 (2021)】。這一實驗進展讓人們意識到，在自旋和谷自由度之外，電子的空間自由度（這裡為電子的層自由度）也可以靈活調控，並有望構建新型電子器件。然而，實驗中層極化的電荷輸運未受到拓撲保護，在能量損耗和工作效率等方面還未有顯著的優勢。因此，能否利用受拓撲保護的元激發來實現對載流子的層自由度進行無耗散地調控，這是層電子學中製備高效能器件需要解決的關鍵問題。

近期，復旦大學理論物理與資訊科學交叉學科中心/北京大學量子材料科學中心謝心澄教授和江華教授帶領的研究團隊在軸子絕緣體MnBi₂Te₄層電子器件設計方面進行了理論研究。該項研究建立了基於調控層自由度的“層電子學”概念，並在MnBi₂Te₄材料中利用層極化手性拓撲疇壁模設計了層過濾器、層閥門和層反轉器的原型器件。相比於自旋和谷電子學，基於反鐵磁軸子絕緣體MnBi₂Te₄的層電子學器件更穩定且能耗更低，可用於對資訊的編碼、處理和儲存，是製備新一代高效性、低功耗電子器件的可行方案。

該成果發表於《國家科學評論》2024年第6期，標題為 “Dissipationless layertronics in axion insulator MnBi₂Te₄”, 復旦大學江華教授和北京大學博雅博士後宮明為共同通訊作者，宮明還和蘇州大學博士後李帥為論文共同第一作者，合作者還包括西北大學成淑光教授。

圖1：基於MnBi₂Te₄製備的層過濾器(a) 、層閥門(b)和層反轉器(c-d)的理論設計方案。

該研究表明，偶數層MnBi₂Te₄反鐵磁疇壁上存在著受拓撲保護的層極化一維疇壁態，其手性與層自由度相互鎖定，這是無耗散操控載流子層自由度和設計層電子學器件的關鍵。基於這些一維疇壁態，該研究團隊提出了三種基本層電子器件的設計方案：層過濾器、層閥門和層反轉器[見圖1]。層過濾器可透過單個MnBi₂Te₄反鐵磁疇壁的兩埠器件實現。當分別施加正向和反向偏壓時，位於不同表面的手性模參與輸運，形成了層極化的輸運流，從而可用於過濾攜帶特定層資訊的電流訊號。具有相反手性疇壁態的兩對MnBi₂Te₄磁疇壁組合在一起可製備層閥門器件，透過獨立調節磁疇壁的費米能，層極化電流可在導通與斷開狀態間轉換。最後，藉助MnBi₂Te₄鐵磁相的陳絕緣體態可將磁疇壁上和下表面的手性疇壁態相連結，從而構建層反轉器件，實現層極化電流的反轉（上、下表面的相互轉換）。這些基本的層電子器件的設計為建立層電子學以及無耗散調控層自由度提供了理論基礎。該研究進一步探討了實驗製備層電子器件可行的關鍵技術手段[見圖2]。