量子反常霍尔边缘输运中涌现的非厄米拓扑

非厄米物理因能够产生奇异点、非厄米趋肤效应等独特现象而受到广泛关注，但以往实验实现通常依赖人为引入的增益、损耗或特殊环境耦合。由此引出一个基本问题：在微观哈密顿量保持厄米的固态电子体系中，非厄米拓扑能否仅由体系自身的输运过程涌现？近日，苏州大学物理科学与技术学院量子研究院陈垂针团队与合作者在量子反常霍尔（QAH）体系中给出了肯定答案。研究发现，单向手性边缘通道与普通扩散通道耦合后会产生内禀非互易输运，其宏观边缘输运方程可映射为Hatano–Nelson非厄米模型，并出现非厄米趋肤效应。该效应可通过局域电压分布和热耗散成像进行直接检验，为在无需外加增益或损耗的固态量子材料中研究非厄米拓扑提供了新路径。

图（1）：（a）量子反常霍尔态中手性边缘通道（蓝）与普通边缘通道（红）共存，并产生非互易边缘输运；（b）量子反常霍尔体系的示意能谱。

理想的QAH绝缘体边缘仅存在沿固定方向传播的手性通道，而在实际材料中还可能存在普通的非手性边缘通道。手性通道单向传播，普通通道则允许双向扩散。当两类通道共存并发生散射时，顺、逆两个方向的输运响应不再等价，从而产生内禀非互易性。研究团队进一步证明，这种边缘输运动力学可严格映射到连续的Hatano–Nelson模型。由此，尽管样品的微观哈密顿量仍然保持厄米，非厄米性却可以在宏观输运响应中自然涌现，并导致边缘响应的指数局域。

图（2）：（a）边缘电压测量构型；（b）不同拓扑状态下电化学势的空间分布；（c）局域热耗散的空间分布；（d）纵向电导随样品长度的变化。

这一映射给出了一组可直接检验的实验特征。在QAH态中，边缘电化学势呈指数型空间分布，局域热耗散相应集中在边界的特定区域；随着样品长度增加，纵向电导呈指数衰减，而霍尔电导仍可保持量子化。数值模拟进一步验证了这些特征。作为对照，在不含手性边缘通道的轴子绝缘体态中，上述指数局域特征消失；当磁化方向反转时，局域方向也随之反转。因此，多端局域电压测量和热成像可作为识别这种非厄米趋肤效应的实验手段。

该研究揭示了一种不同于传统非厄米体系的实现途径：无需外部增益、损耗或特殊器件工程，非厄米拓扑可以由厄米量子体系中的手性输运与普通扩散通道耦合自然涌现。该工作建立了非厄米拓扑与量子反常霍尔介观输运之间的直接联系，也为在磁性拓扑绝缘体等固态量子材料中探索非厄米现象提供了可实验检验的新平台。

该研究以“Non-Hermitian Topology from Edge Transport in Hermitian Quantum Anomalous Hall Systems”为题，于2026年8月27日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。北京大学物理学院量子材料科学中心博士后周湖棉为第一作者，北京量子信息科学研究院鹿鸣为共同作者，苏州大学物理科学与技术学院量子研究院陈垂针教授和北京大学物理学院量子材料科学中心谢心澄教授为共同通讯作者。近年来，陈垂针教授团队持续开展手性边缘输运理论研究，相关成果发表于PRL 129, 096601 (2022)、Natl. Sci. Rev. 10, nwad025 (2023)、PRL 126, 156601 (2021)和PRL 122, 026601 (2019)，并系统研究了无序和退相干作用下电子手性边缘输运的物理图像。

该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金及量子科学与技术创新计划等支持，并得到北京大学高性能计算平台的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77208-6