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“量子反常霍尔效应”研究获突破

作者:核心期刊
出处:www.lunrr.com
时间:2019-12-09
作者:薛启坤等资料来源:《科学》发布日期:2013

选择名称:中小

量子反常霍尔效应“研究突破

由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合研究团队,经过多年不懈的探索和艰苦的研究,“量子反常霍尔效应”最近已经成功实现。这是世界上该领域的一个重要科学突破。从理论研究到实验观察的物理效应的整个过程都是由中国科学家独立完成的。

量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域中最重要和最基本的量子效应之一。它是典型的宏观量子效应,是微观电子世界量子行为在宏观尺度上的完美体现。1980年,德国科学家冯?克劳斯冯克里津发现了“整数量子霍尔效应”,并于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年,美籍华人物理学家丹尼尔奇翠(Daniel CheeTsui)和美国物理学家斯托米尔发现了“分数量子霍尔效应”。不久,美国物理学家罗伯特拉夫林给出了一个理论解释,三人分享了1998年诺贝尔物理学奖。在量子霍尔效应家族中,迄今尚未发现的效应是“量子反常霍尔效应”不需要外部磁场的量子霍尔效应。

图1,量子异常霍尔效应示意图,拓扑非平凡能带结构产生手性边缘态,导致量子异常霍尔效应

“量子反常霍尔效应”是该领域多年来非常困难和重大的挑战。它与已知的量子霍尔效应有着完全不同的物理本质,是一种全新的量子效应。同时,它的实现更加困难,需要精确的材料设计、制备和控制。1988年,美国物理学家邓肯霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)提出,可能存在不需要外部磁场的量子霍尔效应,但多年来一直无法找到实现这种特殊量子效应的物质系统和具体物理方式。2010年,由中国[科学院物理研究所的钟芳、戴Xi领导的团队与张首晟教授等合作,在理论和材料设计上取得突破。他们提出掺杂铬或铁磁性离子的Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在特殊的V. VLEC铁磁交换机制,可以形成稳定的铁磁绝缘体,是实现量子反常霍尔效应的最佳体系[科学,329,61 (2010)]。计算表明,在一定厚度和磁交换强度下,磁性拓扑绝缘体多层膜处于“量子反常霍尔效应”状态。这一理论和材料设计的突破引起了世界的广泛兴趣。世界上许多顶级实验室正竞相加入这场竞赛,沿着这一思路寻找量子反常霍尔效应。

图2,从理论上计算了磁性拓扑绝缘体多层膜的能带结构和相应的霍尔电导

磁性掺杂拓扑绝缘体材料中“量子反常霍尔效应”的实现对材料生长和输运测量要求极高:材料必须具有铁磁长程有序性;铁磁交换必须足够强以引起能带反转,从而在拓扑中产生不平凡的能带结构;同时,体内的载流子浓度必须尽可能低。最近,由中国科学院物理研究所的何可、李露、马旭村、王力、钟芳、戴Xi组成的团队,以及由清华大学物理系的薛启坤、张首晟、王雅玉、陈Xi、贾金凤组成的团队,在解决关键问题上进行了合作,并在这场国际比赛中表现出了巨大的实力。它们克服了薄膜生长、磁掺杂、栅极电压控制、低温传输测量等诸多困难。他们逐步实现了拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁有序和能带拓扑的精确控制。他们利用分子束外延生长高质量掺铬(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量器件上成功观察到“量子反常霍尔效应”。该结果于2013年3月14日在《科学》杂志上发表。清华大学和中国科学院物理研究所是共同的主要作者。

图3,在掺铬(铋,锑)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中测量霍尔电阻

这一成就是中国科学家长期积累、合作创新和集体研究的成功范例。早些时候,团队成员在拓扑绝缘体的研究方面取得了一系列进展。研究结果被列入2010年中国十大科学进步和中国大学十大科学进步。团队成员还获得了2011年“丘石杰出科学家奖”、“丘石杰出科学成果集体奖”和“中国科学院杰出科学成就奖”,以及2012年“全球中国物理学会亚洲成就奖”和“陈嘉庚科学奖”等荣誉。这项工作得到了中国科学院、科技部、国家自然科学基金委员会、教育部等部门的支持。(来源:中国科学院物理研究所)

(原标题:“量子异常霍尔效应的重大突破”研究)

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《科学》发表论文摘要(英文)

2010年发表在《科学》期刊上的理论预测论文

2013年发表在《科学》期刊上的实验验证论文

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