维尔茨堡拓扑绝缘体研究所的实验和理论物理学家在碲化汞装置中观察到了重入量子霍尔效应，并将其识别为宇称异常的特征。
拓扑绝缘体是可以导电的材料，但只能在其表面或边缘导电。它们内部没有电流流动。它们是全世界深入研究的主题，因为它们具有独特的电子特性，可以提高量子计算机的效率，并可用于加密和数据安全传输等其他技术。
维尔茨堡朱利叶斯·马克西米利安大学 (JMU) 拓扑绝缘体研究所和理论物理与天文学研究所的研究人员现在提出了一种不寻常的量子霍尔效应，该效应是在由拓扑绝缘体材料碲化汞 (HgTe) 制成的微观装置上观察到的。他们的研究结果发表在《先进科学》杂志上。
清晰的实验观察
在碲化汞装置中，顶部和底部表面的电子表现为相对论狄拉克粒子。正如粒子物理学所预测但未经实验验证的那样，狄拉克粒子应该受到所谓的宇称异常的影响。在固态实验中，奇偶校验异常会导致一种称为光谱不对称的效应，可以通过电阻的异常变化来测量。
“自 20 世纪 80 年代以来，宇称异常就被预测会出现在固态材料中。一个著名的理论建议是 Haldane(2016 年诺贝尔物理学奖)提出的模型。我们已经确定了宇称异常的另一个结果，这是第一个一个有待实验验证的”，Ewelina Hankiewicz 教授说。
效果不仅仅针对碲化汞
JMU 物理学家已经在三维拓扑绝缘体的单个表面上实现了二维狄拉克物理。 “我们观察到一种非常规的重入量子霍尔效应，它可以与单一拓扑表面态中光谱不对称的发生直接相关。这种效应对于任何拓扑绝缘体都是通用的，而不仅仅是碲化汞所特有的。结果的普遍性这就是它如此令人兴奋的原因，”Wouter Beugeling 博士说。
要实现这些新发现，必须克服两个挑战。首先，必须在测量的电阻的其他特征中识别出光谱不对称的特征。其次，设备的控制方式必须确保两个表面的影响不会相互抵消。
高水平的控制允许进一步的探索
劳伦斯·莫伦坎普教授说：“这一观察结果表明，我们对该设备的高水平控制使我们能够比以前探索拓扑绝缘体物理的许多有趣的方面。”
达到该观测所需实验精度的一个关键因素是 HgTe 材料的高质量，该材料是在维尔茨堡物理研究所的分子束外延设备中生产的。分子束外延 (MBE) 是一种生产具有定制电子、光学和磁性特性的晶圆薄层材料的技术。通过MBE，可以逐个原子层精确地构建层结构。