量子反常霍尔效应是过去十年凝聚态物理研究的重要前沿，对于探索新型宏观量子效应以及推动低能耗晶体管器件发展具有重要的科学意义。近年来，随着各种新型二维反铁磁材料的发现，量子反常霍尔效应的研究进入了全新阶段。反铁磁材料凭借其抵抗外磁场扰动强、没有杂散场和超快自旋响应的特性，在量子反常霍尔效应及其应用方面展现出巨大潜力，成为凝聚态物理新的研究前沿。二维本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄作为实验上发现的首个同时具有二维特性、本征磁性和能带拓扑性的量子材料，在过去几年引起了广泛关注。理论预言本征反铁磁序和拓扑的相互作用能够实现高温量子反常霍尔效应[图1a和1b]。然而在实验上实现量子反常霍尔效应面临着巨大的挑战，过去五年国际上只有复旦大学张远波团队在唯一一块样品中报道了MnBi₂Te₄中的量子反常霍尔效应，如何制备高质量器件成为限制这一领域发展的重要瓶颈。

图1：微加工流程和光学表征。a,MnBi₂Te₄结构示意图。b,反铁磁量子反常霍尔效应示意图。c,输运器件微纳加工流程图。d,输运器件示意图。e,MnBi₂Te₄光学照片。f,光刻胶对不同层厚样品光学对比度的影响。g,来自47块样品的光学对比度变化统计结果。

近期6686体育刘畅副教授团队开发了一种新型的器件制备工艺，创新性地将非晶氧化铝引入拓扑输运器件的制备流程中，成功在多个奇数层MnBi₂Te₄器件中实现了零磁场下的量子反常霍尔效应。相关成果以“Towards the quantized anomalous Hall effect in AlO_x-cappedMnBi₂Te₄”为题发表在2025年2月18日的Nature Communications上。

课题组在前期研究中发现，标准电子束工艺中光刻胶和MnBi₂Te₄的接触会破坏表面磁性，并对器件的有效层厚产生影响[Nat. Commun.15, 3399 (2024)]。为了解决这一挑战，团队成员发展了一种新的器件制备方法，通过在样品表面沉积一层3纳米非晶氧化铝，成功实现了光刻胶和拓扑表面态的物理隔绝。同时，为了解决氧化铝绝缘性对电接触的影响，团队成员又引入了氩离子刻蚀工艺，有效保障了Cr/Au电极和样品之间的欧姆接触。这种简单有效的器件制备方法不仅兼容了当前二维材料研究中广泛采用的电子束曝光工艺，同时还可以拓展至双栅器件的制备。对近50块器件的光学测量表明 (图1e至1g)，所有沉积了氧化铝的器件在微纳加工前后，样品和衬底之间的光学对比度均表现出良好的一致性，表明了氧化铝在器件制备过程中实现了对样品的有效保护。

图2：不同微加工方法对输运的影响。a-b,传统方法制备的器件在磁场和栅压调控下的输运行为。c-d,新方法制备的器件的输运行为。e-g,17块奇数层MnBi₂Te₄的霍尔电导σ_xy随磁场变化行为。

随后，团队研究了氧化铝对奇数层MnBi₂Te₄量子输运行为的影响。如图2a至2d所示，磁输运测量清楚的表明对于没有氧化铝保护的样品，其霍尔电导σ_xy在零场附近展现出一个只有偶数层样品中才会出现的零级平台，这意味着原本层厚为7层的样品在经历微加工之后有效层厚已经减小为6层。与之形成鲜明对比的是，表面沉积了氧化铝的样品在零磁场下表现出显著的霍尔效应回滞，这意味着长程反铁磁序在微加工之后一直稳定存在。为了进一步消除器件质量涨落对输运结果的影响，团队对17块奇数层器件低温下的输运行为开展研究，并对其反常霍尔效应行为开展统计分析。如图2e至2g所示，相比较于传统方法制备的器件，所有沉积了氧化铝的器件在反常霍尔效应数值方面均有了显著的提升，有2块器件在零场下进入量子化状态，其σ_xy达到一倍量子电导e²/h，这意味着团队首次在多个反铁磁器件中实现了量子反常霍尔效应。

中国人民大学刘畅副教授为文章的唯一通讯作者，该工作合作者还包括清华大学王亚愚教授研究组、张金松副教授研究组、江万军副教授研究组和上海科技大学王文波助理教授研究组。6686体育研究生王永谦和付博涵为文章的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、北京市科技新星计划、科技部重点研发项目、科技创新2030重大项目、基础科学中心项目、新基石项目和中国人民大学科研基金的支持。

文章连接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57039-7