想象一条单向行驶的高速公路，路面断裂或被挖出横沟，车辆本该受阻。但类似的情况发生在拓扑量子器件的一条“量子车道”上，科学家发现“车辆”照样畅通无阻。北京大学物理学院量子材料科学中心、固态量子器件北京市重点实验室王健教授课题组与南京大学宋凤麒教授、费付聪教授等合作，在几纳米厚的磁性拓扑量子器件上划出贯穿器件的“深沟”，发现其中的拓扑手性边缘态电流仍能近乎无能耗地单向传输。相关成果于近日发表。
王健介绍，这种“拓扑边缘电流”，出现在一种叫“陈绝缘体”的体系中。它内部绝缘，边缘却能形成手性电子单向导电的量子通道。普通导线里的电子跑起来磕磕碰碰，形成电阻，发热也就免不了；而陈绝缘体的边缘态就像是一条规则森严的单行道，手性电子只能顺着一个方向走，不能回头，电流不磕不绊，也就不会发热损耗。凭着这个本事，陈绝缘体被认为是制备低功耗量子器件的热门候选。
“量子器件从实验室走向应用场景，加工时的切割、拼接、封装以及使用中的磕碰在所难免。这种无能耗的边缘电流能否经受住真正的物理破坏？”王健指出，“理论早已预言手性边缘态能够抵抗局部扰动，这种特性被称为‘拓扑保护’。但此前没有进行破坏性的直接实验验证。”
为一探究竟，研究团队挑中了磁性拓扑材料MnBi2Te4，剥离到7.0到8.6纳米厚，通过微纳加工制备电极，在零下271.15摄氏度的低温下施加垂直磁场，使器件进入陈绝缘体态：边缘电流近乎无能耗、单向传输的特征由此得到确认。
接下来，团队把原子力显微镜的针尖当作刻刀，在多个薄层量子器件中人工划出宽10到450纳米、长0.7到11.1微米，深度直接贯穿器件的“深沟”。“这好比从高速公路路边向内挖出深沟，虽然没有把整条路彻底截断，但已严重破坏道路。”王健说。
面对如此严重的破坏，不同电极连接方式下的测量结果都与理想的手性边缘输运理论高度吻合。这意味着，边缘电流沿着划出的“深沟”边缘绕了过去，为“拓扑保护”提供了直接实验证据。
王健表示，这种抵抗宏观物理破坏的“划不坏”能力，正是低功耗量子器件最重要的特质之一。既然“深沟”拦不住边缘电流，那么拓扑量子器件的几何加工和结构设计就有了更大余地。当前计算机和人工智能芯片发展的瓶颈，正在于元器件发热带来的超高能耗和集成度受限问题。基于陈绝缘体的拓扑量子器件，有望用于构筑未来的低功耗量子芯片。（记者 晋浩天）
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