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基于量子力学的基本原理，通过操控电子的内部自由度来调控载流子的输运行为，人们已能够设计和制备出具有特殊功能的电子器件。这些量子电子器件在信息存储、处理和传输等方面超越了传统半导体器件的性能，具备低能耗和高效率的显著优势。目前，自旋电子学和谷电子学是两种分别通过调控电子的自旋和能谷自由度来构建量子电子器件的方案，在低能耗器件和量子计算等领域展现出巨大的应用潜力。即便如此，自旋电子学和谷电子学仍存在较大的局限性。在自旋电子学中，通过操控电流来实现自旋极化反转的Datta-Das自旋场效应晶体管，由于技术限制仍未成功制备；而在谷电子学中，至今仍然没有高效的手段来实现谷自由度在两个能谷之间的完全反转。因此，在自旋和能谷自由度之外寻找电子的新自由度来建立相应的电输运机制，以及构建更高性能电子器件是学术界广泛关注的问题。
最近，一项实验研究报道了本征反铁磁轴子绝缘体材料MnBi
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中通过调控面外电场和磁场实现的层极化的反常霍尔效应
【
Nature
595,
521 (2021)】
。这一实验进展让人们意识到，在自旋和谷自由度之外，电子的空间自由度（这里为电子的层自由度）也可以灵活调控，并有望构建新型电子器件。然而，实验中层极化的电荷输运未受到拓扑保护，在能量损耗和工作效率等方面还未有显著的优势。因此，能否利用受拓扑保护的元激发来实现对载流子的层自由度进行无耗散地调控，这是层电子学中制备高性能器件需要解决的关键问题。
近期，复旦大学理论物理与信息科学交叉学科中心/北京大学量子材料科学中心
谢心澄
教授和
江华
教授带领的研究团队在轴子绝缘体
MnBi
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层电子器件设计方面进行了理论研究。该项研究建立了基于调控层自由度的“层电子学”概念，并在
MnBi
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材料中利用层极化手性拓扑畴壁模设计了层过滤器、层阀门和层反转器的原型器件。相比于自旋和谷电子学，基于反铁磁轴子绝缘体
MnBi
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的层电子学器件更稳定且能耗更低，可用于对信息的编码、处理和存储，是制备新一代高效性、低功耗电子器件的可行方案。
该成果发表于
《国家科学评论》
2024年第6期，标题为 “
Dissipationless layertronics in axion insulator
MnBi
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”, 复旦大学
江华
教授和北京大学博雅博士后
宫明
为共同通讯作者，宫明还和苏州大学博士后
李帅
为论文共同第一作者，合作者还包括西北大学
成淑光
教授。
图1：
基于MnBi
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制备的层过滤器(a) 、层阀门(b)和层反转器(c-d)的理论设计方案。
该研究表明，偶数层MnBi
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反铁磁畴壁上存在着受拓扑保护的层极化一维畴壁态，其手性与层自由度相互锁定，这是无耗散操控载流子层自由度和设计层电子学器件的关键。基于这些一维畴壁态，该研究团队提出了三种基本层电子器件的设计方案：层过滤器、层阀门和层反转器
[见图1]
。
层过滤器可通过单个MnBi
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反铁磁畴壁的两端口器件实现。当分别施加正向和反向偏压时，位于不同表面的手性模参与输运，形成了层极化的输运流，从而可用于过滤携带特定层信息的电流信号。具有相反手性畴壁态的两对MnBi
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磁畴壁组合在一起可制备层阀门器件，通过独立调节磁畴壁的费米能，层极化电流可在导通与断开状态间转换。最后，借助MnBi
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铁磁相的陈绝缘体态可将磁畴壁上和下表面的手性畴壁态相链接，从而构建层反转器件，实现层极化电流的反转（上、下表面的相互转换）。这些基本的层电子器件的设计为建立层电子学以及无耗散调控层自由度提供了理论基础。该研究进一步探讨了实验制备层电子器件可行的关键技术手段
[见图2]
。
图2：在面外磁场
B
中，利用交错栅极电压在MnBi
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中制备层过滤器（左）和层阀门（右）的实验装置示意图。
