量子反常霍尔效应(QAH)作为一种新奇的拓扑物态，可能蕴含由于拓扑和磁性共存而导致的独特物态和相变过程，并成为构筑新型拓扑物态的基础。其中，在磁翻转引起的陈数C = 1和 -1两个QAH平台转变过程中，有可能在矫顽场附近出现一个C = 0的零级霍尔平台。理论预言当QAH系统被s波超导体近邻后，在C = 1到C = 0平台转变过程中，可能会出现一个手性拓扑超导相，边界上会存在手性马约拉纳模。因此，实现稳定的C = 1和C = 0平台的共存，并能够对其平台转变过程进行精确调控，对于在QAH-超导异质结构中实现手性拓扑超导相非常关键。

       近期，物理系王亚愚研究组和上海科技大学寇煦丰研究组合作，提出了利用面内磁场调控QAH零级平台及平台转变的新方法。团队成员在GaAs衬底上利用分子束外延生长了Cr掺杂的(Bi,Sb)₂Te₃薄膜，并将该薄膜在可以独立控制面外(H_z)和面内磁场(H_x)的矢量磁铁中测量(图a)。在只加面外磁场H_z时，该薄膜具有稳定的C = 1平台，但在矫顽场H_cz附近没有产生零级平台。然而，当固定面内磁场H_x偏置扫描H_z时，随着H_x的增加，霍尔电阻ρ_yx关于H_z的斜率逐渐减小，达到C = 1平台所需的磁场逐渐增大；面外矫顽场H_cz单调减小，并在μ₀H_x ≥ 1 T时降到0；纵向电阻ρ_xx峰值出现先增大后减小的非单调行为，并在μ₀H_x = 0.7 T时达到峰值13 h/e² (图b-c)。由于ρ_yx斜率的减小和ρ_xx峰值的增大，在μ₀H_x ≥ 0.3 T后，样品出现了稳定的零级平台，并且零级平台的宽度会随H_x的增大单调增大(图d-e)。同时在足够大的H_z下，C = 1的QAH平台仍然可以量子化，从而利用面内磁场在没有零级平台的样品中实现C = 1和C = 0平台的共存。类似的，也可以固定一个较小的H_z偏置，通过改变H_x实现C = 1和C = 0平台之间的转变。

       以上实验现象可以利用Stoner-Wohlfarth模型解释。由于面内磁场H_x引起的磁矩偏转，导致在面外方向上克服磁各向异性能实现磁畴翻转更容易，从而减小面外矫顽场H_cz。 同时随H_x增大，在矫顽场处的磁畴尺寸ξ减小，导致相邻磁畴间的透过率t减小(图f)，纵向电阻ρ_xx峰值逐渐增大；在μ₀H_x ≥ 0.7 T后，面外方向的磁能隙关闭，导电表面态开始出现，使得纵向电阻ρ_xx峰值逐渐减小。

图：(a) 器件结构及测量方法示意图，面外和面内磁场方向分别由紫色和黑色箭头指示；(b)-(c) 不同H_x下，纵向电阻ρ_xx (b)和霍尔电阻ρ_yx (c)随H_z的变化；(d)-(e) 不同H_x下，纵向电导σ_xx (d)和霍尔电导σ_xy (e)随H_z的变化，显示零级平台逐渐产生并展宽；(f) 在H_x和H_z共存时，QAH薄膜中磁化强度M和磁畴结构的示意图。

       该工作利用面内磁场，实现了QAH系统中零级平台及其平台转变的精密调控，展示了磁性和拓扑的相互作用对量子输运的影响，这对在QAH-超导异质结构中寻找手性马约拉纳模有较大的推动作用。该研究成果以“Controlling the Zero Hall Plateau in a Quantum Anomalous Hall Insulator by In-Plane Magnetic Field”为题2023年5月1日在线发表于Physical Review Letters. 物理系博士生栾建立、北京量子信息科学研究院冯洋副研究员、上海科技大学博士生季育琛为文章的共同第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金委、合肥实验室、科技部、北京未来芯片技术高精尖创新中心以及腾讯基金会的支持。

       文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.186201