想象一條單向行駛的高速公路，路面斷裂或被挖出橫溝，車輛本該受阻。但類似的情況發生在拓扑量子器件的一條“量子車道”上，科學家發現“車輛”照樣暢通無阻。北京大學物理學院量子材料科學中心、固態量子器件北京市重點實驗室王健教授課題組與南京大學宋鳳麒教授、費付聰教授等合作，在幾納米厚的磁性拓扑量子器件上劃出貫穿器件的“深溝”，發現其中的拓扑手性邊緣態電流仍能近乎無能耗地單向傳輸。相關成果於近日發表。

王健介紹，這種“拓扑邊緣電流”，出現在一種叫“陳絕緣體”的體系中。它內部絕緣，邊緣卻能形成手性電子單向導電的量子通道。普通導線裡的電子跑起來磕磕碰碰，形成電阻，發熱也就免不了﹔而陳絕緣體的邊緣態就像是一條規則森嚴的單行道，手性電子只能順著一個方向走，不能回頭，電流不磕不絆，也就不會發熱損耗。憑著這個本事，陳絕緣體被認為是制備低功耗量子器件的熱門候選。

“量子器件從實驗室走向應用場景，加工時的切割、拼接、封裝以及使用中的磕碰在所難免。這種無能耗的邊緣電流能否經受住真正的物理破壞？”王健指出，“理論早已預言手性邊緣態能夠抵抗局部擾動，這種特性被稱為‘拓扑保護’。但此前沒有進行破壞性的直接實驗驗証。”

為一探究竟，研究團隊挑中了磁性拓扑材料MnBi₂Te₄，剝離到7.0到8.6納米厚，通過微納加工制備電極，在零下271.15攝氏度的低溫下施加垂直磁場，使器件進入陳絕緣體態：邊緣電流近乎無能耗、單向傳輸的特征由此得到確認。

接下來，團隊把原子力顯微鏡的針尖當作刻刀，在多個薄層量子器件中人工劃出寬10到450納米、長0.7到11.1微米，深度直接貫穿器件的“深溝”。“這好比從高速公路路邊向內挖出深溝，雖然沒有把整條路徹底截斷，但已嚴重破壞道路。”王健說。

面對如此嚴重的破壞，不同電極連接方式下的測量結果都與理想的手性邊緣輸運理論高度吻合。這意味著，邊緣電流沿著劃出的“深溝”邊緣繞了過去，為“拓扑保護”提供了直接實驗証據。

王健表示，這種抵抗宏觀物理破壞的“劃不壞”能力，正是低功耗量子器件最重要的特質之一。既然“深溝”攔不住邊緣電流，那麼拓扑量子器件的幾何加工和結構設計就有了更大余地。當前計算機和人工智能芯片發展的瓶頸，正在於元器件發熱帶來的超高能耗和集成度受限問題。基於陳絕緣體的拓扑量子器件，有望用於構筑未來的低功耗量子芯片。（記者晉浩天）