康奈尔大学的研究人员利用磁成像技术首次直接观察到电子如何在一种特殊www.196nk.cn类型的绝缘体中流动，并由此发现传输电流是通过材料内部流动的，而不是像科学家们长期假设的那样在边缘流动。

这一发现揭示了量子反常霍尔绝缘体中的电子动力学，并有助于解决长达数十年的关于电流如何在更一般的量子霍尔绝缘体中流动的争论。这些见解将为下一代量子设备拓扑材料的开发提供参考。

研究小组的论文最近发表在《自然NDrKJc-材料》（Nature Materials）杂志上。论文的第一作者是马特-弗格森（Matt Ferguson），22 年博士，目前是德国马克斯-普朗克固体化学物理研究所的博士后研究员。

量子霍尔效应

该项目由文理学院物理学助理教授、论文的资深作者 Katja Nowack 领导，起源于所谓的量子霍尔效应。量子霍尔效应于 1980 年首次被发现，当磁场作用于特定材料时，会引发一种不寻常的现象： 大块样品的内部变成绝缘体，而电流沿外缘单向移动。电阻被量子化或限制为基本通用常数所定义的值，并下降为零。

2013 年首次发现的量子反常霍尔绝缘体通过使用磁化的材料实现了相同的效果。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。

破除流行观念

"电流沿边缘流动的图像可以很好地解释量子化是196世界之最如何产生的。但事实证明，这并不是唯一能解释量子化的图景，"诺瓦克说。"自从拓扑绝缘体在本世纪初蔚为壮观地崛起以来，这种边缘图景就一直占据着主导地位。局部电压和局部电流的复杂性在很大程度上被遗忘了。实际上，这些情况可能比边缘图景所显示的要复杂得多"。

目前已知只有少数材料是量子反常霍尔绝缘体。在他们的新工作中，诺瓦克研究小组重点研究了铬掺杂的碲铋锑--十年前首次观测到量子反常霍尔效应的也是这种化合物。

该样品由宾夕法尼亚州立大学物理学教授尼廷-萨马尔特领导的合作者培育而成。为了扫描这种材料，诺瓦克和弗格森使用了他们实验室的超导量子干涉装置（SQUID），这是一种极其灵敏的磁场传感器，可以在低温下工作，探测到令人生畏的微小磁场。SQUID 能有效地对电流流（产生磁场的原因）进行成像，然后将这些图像组合起来，重建电流密度。

诺瓦克说："我们研究的电流非常非常小，因此测量难度很大。我们需NDrKJc要在低于一开尔文的温度下对样品进行良好的量化。我很自豪我们做到了这一点。"

发现与未来影响

当研究人员注意到电子在材料的主体中流动，而不是在边界边缘流动时，他们开始翻阅以前的研究结论。他们发现，在1980年量子霍尔效应被首次发现后的几www.196nk.cn年里，关于电子流发生的位置有很多争论，而大多数年轻的材料科学家都不知道这种争论。

"我希望从事拓扑材料研究的新一代注意到这项工作，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究竟了解多少呢？

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

"我很想知道我们观察到的现象是否适用于不同的材料系统。也许在某些材料中，电流的流动方式会有所不同，"诺瓦克说。"对我来说，这凸显了拓扑材料的魅力--它们在电学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了什么至关重要，这对我们的基本理解和应用都是如此。这种一般原理与细微差别的相互作用，使得拓扑材料的研究如此迷人和引人入胜"。