康奈尔大学的研究团队首次通过磁成像技术成功捕捉到电子在一种特殊绝缘体中流动的直接图像。这一成果揭示了电流在材料内部传输的现象，颠覆了科学家们长期以来认为电流仅在边缘流动的假设。 这一发现为量子反常霍尔绝缘体中电子的行为提供了新的视角，并有助于解决关于电流在更广泛的量子霍尔绝缘体中流动的争论，这一问题已困扰科学界数十年。这些新见解将为未来量子器件中拓扑材料的开发提供重要参考。 该研究的论文《量子异常霍尔绝缘体中电子输运的直接可视化》于8月3日发表在《自然材料》杂志上，主要作者为马特·弗格森博士，他曾在德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所进行博士后研究。 该项目由艺术与科学学院的物理学助理教授Katja Nowack领导，研究的起点源于1980年首次发现的量子霍尔效应。当特定材料受到磁场影响时，会出现一种奇特现象：电流在样品的外缘单向流动，而样品内部则表现为绝缘体。这种电阻现象是量子化的，受基本物理常数的限制，并且可以降至零。

2013年首次发现的量子反常霍尔绝缘体通过使用磁化材料实现了同样的效果。量子化仍然发生，纵向电阻消失，电子沿着边缘加速而不耗散能量，有点像超导体。

至少这是人们普遍的看法。

“电流沿着边缘流动的图像可以很好地解释你是如何得到量化的。但事实证明，这并不是唯一可以解释量子化的图景，”Nowack说。“自21世纪初拓扑绝缘体的壮观崛起以来，这种边缘图像确实占据了主导地位。本地电压和本地电流的错综复杂在很大程度上被遗忘了。在现实中，这些可能比边缘图所显示的要复杂得多。”

只有少数材料是已知的量子反常霍尔绝缘体。在他们的新研究中，Nowack的研究小组把重点放在了铬掺杂的铋锑碲上——十年前首次观察到量子反常霍尔效应的就是这种化合物。

该样本是由宾夕法尼亚州立大学物理学教授Nitin Samarth领导的合作者培育的。为了扫描这种材料，Nowack和Ferguson使用了他们实验室的超导量子干涉装置(SQUID)，这是一种非常敏感的磁场传感器，可以在低温下工作，探测到微小的磁场。SQUID能有效地对产生磁场的电流进行成像，并将这些图像组合起来重建电流密度。

“我们正在研究的洋流非常非常小，所以很难测量，”Nowack说。“我们需要低于1开尔文的温度才能在样品中获得良好的量化。我很自豪我们做到了这一点。”

当研究人员注意到电子在大部分材料中流动，而不是在边界边缘时，他们开始挖掘旧的研究。诺瓦克说，他们发现，在1980年量子霍尔效应最初被发现之后的几年里，关于量子流发生的地方存在很多争论——大多数年轻的材料科学家都不知道这个争议。

“我希望研究拓扑材料的新一代能注意到这项工作，并重新展开辩论。很明显，我们甚至不了解拓扑材料中发生的一些非常基本的方面，”她说。“如果我们不了解电流是如何流动的，那么我们对这些材料又有什么真正的了解呢?”

回答这些问题可能也与制造更复杂的设备有关，比如将超导体与量子反常霍尔绝缘体耦合在一起的混合技术，以产生更奇特的物质状态。

“我很想探索我们所观察到的是否在不同的材料系统中都是正确的。在某些材料中，电流可能以不同的方式流动，”Nowack说。“对我来说，这凸显了拓扑材料的美丽——它们在电测量中的行为是由非常普遍的原理决定的，与微观细节无关。然而，了解微观尺度上发生的事情是至关重要的，无论是对我们的基本理解还是应用。这种一般原理和细微差别的相互作用使得拓扑材料的研究如此迷人和迷人。”